Einkennisgen og þróun liðfætla og seildýra

Einkennisgen

• Knippi af einkennisgenum móta líkamsbyggingu og parta dýra.

• Mismunandi líkamsmynstur lífvera geta þróast vegna breytinga í fjölda, stjórnun eða virkni genanna

• Einkennisgen tvöfölduð snemma í þróun hryggdýra

• En breytileiki liðfætla og ferfætlinga vegna mun á stjórnun á tjáningu genanna og þróun samvinnu milli próteina og genum sem þau stjórna.

Hvernig þróast líkamsbygging og líkamshlutar?

• Erfðir mismunandi líkamsbyggingar

• Breytileiki í útliti dýra er þróunarleg afleiðing genamuns milli lífvera

• Þarf að skýra hversu mikill og hvernig munurinn er sem liggur að baki breytilegri líkamsbyggingu

Rannsóknir á áhrifum nýrra gena

• Byrjunarrannsóknir: tvö líkleg kerfi sem liggja að baki uppruna nýrra eiginleika.– Ohno- hlutverk genatvöföldunar(duplication) og mun í

þróun

– Wilson+Jacob- stjórnunarbreytingar í genatjáningu

• Til að geta ákveðið hvernig ný gen hafa áhrif á þróun byggingar þá er nauðsynlegt að vita hvaða gen stjórna byggingunni.

Hox gen

• Nánast öll dýr deila sérstökum fjölskyldum gena => Einkennisgenin (Homeotic genin) - Hox gen

• Hox genin eru mikilvæg í að ákvarða líkamsmynstur

Greinin fjallar um...

• Hox gena skipulag og virkni í þróun

• Nýleg dæmi þar sem Hox gen hafa áhrif á mun á byggingu liðfætla og seildýra

• Munurinn á liðfætlum, skordýrum og hryggdýrum hefur aðallega risið vegna þróunar á stjórnun, en líka vegna tvöföldun Hox knippa.

Homeotic gen í þroskun

• Rannsóknir áður bundnar við Drosophilu melongaster þar voru Hox gen þekkt fyrir að stjórna einstöku útliti mismunandi líkamshluta meðfram framaftur ásum

• Nú hafa Hox fundist í fjölda lífvera

3 eiginleikar sem sameina Hox gen æðri lífvera

1) Skipulag í genakomplexum

2) Tjáning í stökum svæðum í sömu skyldu röðinni meðfram bakaftur ás

3) Hafa 180 basapara röð (homebox) sem kóðar DNA-bindi motif (homedomain)

Röðun og tjáning Hox gena í Drosophila

Genin sitja álitningnum í sömu röðog þau eru tjáð eftirfram/aftur öxli.

Genin sitja í tveimur genagengjum á 3. litningi

**

Þróun Hox-genagengja

• Hryggdýr eru með 4 þyrpingar Hox gena.

• Hox gen í hryggdýrum sem líkjast Abd-B í skodýrum eru í mörgum eintökum í hverri genaröð.

Virkni Hox gena

• Hox gen verka til aðgreiningar á staðsetningum í dýrum en ekki til tilgreiningar á sérstökum hlutum þeirra.

• Sama genið getur stjórnað formi mismunandi svæða líkamans innan einnar tegundar.

• Sama genið getur stýrt samsvarandi svæðum á mismunandi vegu á milli tegunda.

Stýring með Hox genum

• Hox gen– stýra umritun fjölda gena– hafa litla sérhæfni á bindistaði– hafa möguleika á auknum stýrileiðum við

stökkbreytingar í DNA markröðum.

Áhrif Hox gena

• Hox gen stýra m.a. genum sem – mynda prótein sem hafa áhrif á umritun– mynda prótein sem er seytt sem boðefni– mynda byggingarprótein

• Hox gen hafa þannig víðtæk áhrif á fjölda gena sem eru mikilvæg í fósturþroskun.

Þróun Hox genanna

6 mögulegar leiðir í þróun hox genanna og áhrifa þeirra á formfræðilega þróun

1. Fjölbreytniaukning í starfsemi einstakra Hox gena

2. Fjölgun gena af ákveðinni gerð

3. Fjölgun Hox genakomplexa

Þróun Hox genanna

4. brottfall eins eða fleiri Hox gena í gengi

5. Breyting á staðsetningu, tímasetningu, og styrk Hox genatjáningar

6. Breytingar á samskiptum milli hox próteins og virknistaðar þess.

Tilgáta Lewis: ný dýr, ný gen?

Lewis kom með tilgátu um þróun skordýra og flugna (drosophila). Hún var þríþætt

1. Þróun “fótabæligena” til að bæla fótamyndun á kviðhluta forföður skordýra,

2. Þróun vængbæligena sem bældu þroskun seinna vængjaparsins á fjóvænguðum forföður

3. Stökkbreyting gena til að mynda BX-C (bithorax complex, í Drosophila)

Uppgötvun samkassans (homeobox)

Uppgötvun samkassans á miðjum 9. áratugnum opnaði nýjar dyr í rannsóknum á þroskun og þróun lífvera, tengdi saman sögu og virkni homeotic gena og lagði grunninn að nýjum uppgövunum.

• 1. og önnur tilgáta Lewis reyndust rangar, – í ljós kom að genin sem stjórna formi kvið og bakhluta skordýra voru

komin til sögunnar áður en þau greindust frá köngulóm og krabbadýrum, þ.e. þessi gen má einnig finna í þessum flokkum

– töluverður fjöldi hox gena í liðormum (annelids) og hryggdýrum (vertebrates) bendir til að þessi gen hafi verið til staðar í sameiginlegum forföður allra þriggja hópanna.

Þróun á stjórnun Þróun á stjórnun Hox genaHox gena og líkamskipulagning og líkamskipulagning liðfætla (arthropoda)liðfætla (arthropoda)

Hox genin

• Röðun Hox gena hefur varðveist vel í liðfætlum (artrhopoda)

• Hox genin stjórna m.a. staðsetningu útlima á liðfætlum

• Skordýr, krabbadýr, fjölfætlingar og klóskerar (köngulær) eru meðal tegunda sem falla undir fylkingu liðfætlur

• En hvernig stendur á því liðfætlur (artrhopoda) séu svona ólíkar þrátt fyrir að vera með sömu Hox genin ?– Aðalmunurinn á lífverum arthropoda er á lögun,

fjölda, gerða og staðsetningu útlima, þreifara/fálmara (antenna), klóa o.fl á búk þeirra

• Sem stafar af því að genin eru ekki tjáð á sömu stöðum (vegna einkennisgena) genið er komið með nýtt hlutverk

• Einkennisgenins sem ráða þessu eru Hox gen Ubx próteinið,Abd-A prótein og Antp próteinið eru meðal próteina sem ráða tjáningju á þessu

• Stjórnun á liðafjölda hefur breyst með tjáningu gena

Tjáning Ubx og Abd-A í skordýrum (insect)

• Ubx og abd-A bæla niður myndun fóta á aftur búk skordýra

• Distal genið (Dll) bælir niður áhrif Ubx og abd-A á frambúk flugunnar og þ.v.myndast útlimir

• Myndun vænga er bælt á 1. lið með Scr og á afturbol með Ubx, abd-A og Abd-B ~ þ.v myndast vængir á frambol

Tjáning Ubx og Abd-A í krabbadýrum (crustacea)

• Rannsóknir hafa leitt í ljós að Hox próteinin Ubx og abd-A eru tjáð í nær öllum liðum sem hafa útlim í krabbadýrum– Dregnar voru þær ályktanir að það

hefði orðið víxlverkun milli Hox gena

Tjáning Ubx og abd-A í fjölfætlum ( myriapoda)

og flauelsdýrinu (onychophora)• Ubx og abd-A próteinin eru tjáð á svipaðan hátt• Flauelsdýrið er úr Panarthropoda systurfylking

arthropoda• Hox genið er staðsett í öllum lífverum en ræður ekki

endilega útlima myndun

Tjáning Ubx og abd-A í klóskerum (chelicerates)

• Ubx og Abd-A eru tjáð í afturbol köngulóa og hindra þar með myndun útlima

• Svipuð tjáning eins og hjá skordýrum

Hliðranir sem verða í tjáningarmynstri Ubx og abd-Aí þróunarsögu liðdýra

Skordýr

Krabbadýr

Fjölfætlur

Klóskerar

Flauelsdýr

Breytingar á líkamsskipulagi skordýra

• Líklega hefur fjölbreytni skordýra þróast frá líkamsskipulagi mótað af sama setti homeotic gena.

• Breytingar hafa orðið á fjölda og gerðum útlima sem speglast í útdauðum og núlifandi ættbálkum.

• T.d. er byggingu og fjölda útlima lirfa og vængja fullorðinna stjórnað af homeotic genum

Fóttotur: Hoxstýrt afturhvarf?

• Fóttotur eru útlimir á kvið sem finnast á lirfum ýmsa skordýrategunda.

• Fóttotur voru líklega til staðar í forfeðrum skordýra (afturhvarf).

• Komið er í veg fyrir myndun kviðútlima í Drosophila með bælingu Ubx og abd-A á Distal-less (DII) genið.

• Önnur liðdýr en skordýr hafa hinsvegar útlimi á liðum sem tjá bæði Ubx og abd-A.

• Bæling DII hlýtur því að hafa þróast hjá skordýrum.

• Sú þróun virðist hafa átt sér stað í tveimur stigum.

• Bjöllur og engisprettur mynda á fósturstigi pleuropod á A1 þrátt fyrir Ubx.

• Í afleiddari ættbálkum sem hafa ekki pleuropod bælir Ubx DII.

Þróun hömlunnar distalless gensins og fóttamissir á aftorbol í þróunarsögu skordýra

Dll tjáning sýnd með grænum lit, tjáning Ubx með rauðum

Uppruni og þróun vængjaðra skordýra• Hvert var hlutverk Hox gena í þessari þýðingarmiklu

þróun? Svarið er kemur á óvart: Hox gen áttu ekki aðild að þróun vængja.

• Antp genið er ríkjandi á T2 sem bendir til að Antp sé hluti stýrikóða fyrir vængmyndun. Það er hinsvegar rangt þar sem vængmyndun virðist alveg eðlileg þegar Antp genið er fjarlægt.

• Þegar vængir þróuðust fyrst birtust þeir á öllum fram- og afturliðum, þessi vöntun á aðgreiningu liða bendir til að engin homeotic gen stjórni vængjamyndun.

• Öll nútímaskordýr bera tvö pör vængjum, framvængi á T2 og afturvængi á T3.

• Takmörkun vængja á T2 og T3 bendir til að Hox gen hafi mótað þróun fjölda mynstur vængja

• Í Drosophila eru vængir bældir á T1 af Scr og á kvið með Ubx, abd-A og abd-B.

• Ubx genið bælir gen fyrir stærð og lag vængja og breytir byggingu þroskandi kólfs.

• Þróun Hoxprótein bindistaða á cis-stýri-svæðum gena sem þarf fyrir vængmyndun getur útskýrt bælingu vængmyndunar við þróun pterygota.

Þróun vængjafjölda hjá skordýrum og tjáningar-mynstur Hox gena

Bókstafir og litirtákna tjáningu gena:S = ScrA = AntpU = UbxAA = abd-AB = abd-B

Þróun forms samsvarandi bygginga milli tegunda

• Mismunandi Hox gen stýra formum samsvarandi bygginga innan tegundar en hvað með samsvarandi byggingar milli tegunda.

• Afturvængir flugna, bjallna og fiðrilda eru aðgreindir ekki aðeins frá samsvarandi framvængjum en líka frá hvort öðrum.

• Ubx genið stýrir aðgreiningu afturvængs-ins frá framvænginum.

Breytilegir vængir meðal skordýra

DrekaflugurHimnuvængir

BjöllurHimnuvængir ogskjaldvængir

FiðrildiHreisturvængir

• Mismunur milli afturvængja er vegna mismunar í hinum breiða sviði af markgenum sem stjórnað er af Ubx.

• Þannig að samsvarandi afturvængir mismunandi tegunda hafa orðið mismunandi að minnsta kosti að hluta til við breytingar á Ubx bindistöðum í cis-stýriröðum markgena.

Þróun breytilegra afturvængja meðal skordýra

Það má leiða líkum að því að mis-munandi gerðir afturvængja hjá tví-vængjum, bjöllum og fiðrildumbyggist á breytingum á markgenumUbx-umritunarþáttarins.

Umorðun Lewis kenningarinnar• Hox gen mynda ekki leiðbeiningarkóða sem

segir “búa til væng” eða búa til fót”. • Frekar eru þau að breyta þroskunar-forritum

þannig að það sem að öllu jöfnu yrði vængur yrði að kólfi eða það sem yrði fálmari verður fótur.

• Það sem hefur verið að þróast í skordýra og flugnaþróun eru ekki ný gen heldur nýjar stýrivíxverkanir milli BX-C próteina og gena sem taka þátt í útlimamyndun og formþorskun vængja.

Fremri mörk Hox-genatjáningar mismunandi hryggjarliða (h) og frumliðum (f) hjá hryggdýrum

Mús

Hæna

Gæs

Kyrki-slanga

hs

C = hálsliðirT = brjóstliðirL = lendarliðirS = spjaldliðirCo = rófuliðir

Uppruni ferfætlinga

Uppruni útlima

• Afturlimir þróuðust út frá kviðuggum fiska (pelvic fins)

• Framlimir þróuðust út frá eyruggum fiska (pectoral fins)

• Fram- og afturlimir ferfætlinga mjög svipaðir þrátt fyrir mismunandi uppruna

• Ástæðan sennilega stórfelldar breytingar í tjáningu Hox gena

Hox gen

• Eru tjáð í:• miðlaginu við hlið útlimanna• limaútskotum sem eru að myndast

• Mismunandi Hox C gen eru tjáð í fram- og afturlimum

• Röng tjáning Hox A og D genaþyrpinganna í eyruggum líkleg skýring á því hve fram- og afturlimirnir eru líkir

Snákar

• Hafa misst:

• Útlimi

• Eyru

• Eru hugsanlega með færri Hox gen en önnur hryggdýr

• Gætu hugsanlega útskýrt takmarkanir Hox klasa

• Hox gen gætu hugsanlega varðveitt staðsetningu útlima

• Kyrkislöngur eru með útlimsanga

• Ólíklegt að þróunin gangi til baka

Limulus polyphemusSkeifukrabbi

• Er með allt að 4 Hox genaklasa auk viðbótar Hox gena sem finnast í hryggdýrum

• Litlar breytingar í líkamsgerð í tímans rás

• Nýtir sér hugsanleg ekki Hox genin

Frumbernska stýri-þróunar

The primacy of regulatory evolution

• Rannsóknir benda til þess að erfðaefni frumstæðra liðfætla og hryggdýra hafi haft einn klasa Hox-gena sem innihaldið hafi hið fjöldbreytta safn kennigena sem finnst í núlifandi afkomendum þeirra.

• Þrátt fyrir að þessi klasi kennigena hafi tvöfaldast í hryggdýrum virðist sem sú þróun sem á eftir kom, úr frumstæðum beinfiskum í spendýr, og allt þróunarskeið liðfætla, hafi byggst á sömu Hox-genum.

• Allt bendir til þess að aðalástæða formfræðilegrar fjölbreytni hjá liðfætlum og hryggdýrum sé stjórnunar-þróun (regulatory evolution). Með stjórnunar-þróun er átt við það að Hox-genin hafa áhrif á mikinn fjölda gena, sem þau geta virkjað eða bælt.

• Vegna þess hve líffærafræði hryggdýra er flókin miðað við frumstæð seildýr og hryggleysingja eru það mun fleiri gen sem koma við sögu í þroskun þeirra.

• Hox

• Wnt

• TGF-β

• Dll/Dxl

Hvernig getur stýri-þróun skýrt muninn á milli ánamaðka og spendýra?

• Sköpunarkraftur stýri-þróunar liggur í stigveldi og samlagningarhæfni stýrikerfanna sem stjórna skipulagningu líkamsbyggingar og formþroskunar.

• Einstökum genum er oft stjórnað með tilliti til: (1) tímasetningar tjáningar, (2) ‘stig’ tjáningar, (3) staðsetning tjáningar og (4) mynstur.

• Mjög lítið er vitað um Hox-genin og önnur stýri-gen.

• Seildýr og liðfætlur hafa verið mest rannsakaðar með tilliti til Hox-gena.

• Rannsóknir sem þessar gefa okkur skilning á því hvernig genin stýra líkamsbyggingu, en skýra hinsvegar ekki uppruna Hox-gena.

• Samanburður á mismun Hox-gena á milli þróaðra fylkinga gefa okkur aðeins mynd af því sem hefur þróast, en ekki hvernig það varð til.

• Rannsóknir á frumstæðum hryggleysingjum gætu gefið okkur hugmyndir um uppruna Hox-gena og annarra fjölskyldna stýri-gena.