Hox-Gen

Hox-Gene sind eine Familie von regulativen Genen. Ihre Genprodukte sind Transkriptionsfaktoren, welche die Aktivität anderer, funktionell zusammenhängender Gene im Verlauf der Individualentwicklung (Morphogenese) steuern. Sie gehören also zu den homöotischen Genen.
Der charakteristische Bestandteil eines Hox-Gens ist die Homöobox. Dabei handelt es sich um eine charakteristische Sequenz homöotischer Gene. Die Homöoboxen codieren in den Zellen für abgrenzbare besondere Proteinbereiche oder Proteindomänen (Homöodomänen). Diese bestehen in der Regel aus 60 Aminosäuren und besitzen eine DNA-Bindedomäne. Die Basensequenz der Homöobox ist bei allen Hox-Genen aller Tierarten sehr ähnlich. Dies lässt den Schluss zu, dass sie in der Evolutionsgeschichte konserviert worden ist; offensichtlich wirken sich Mutationen hier meist letal aus.

Schema eines submetazentrischen Metaphasechromosoms. (1) Einer der beiden Chromatiden (2) Centromer, die Stelle, an dem die beiden Chromatiden zusammenhängen. Hier setzen in der Mitose (siehe auch unten) die Mikrotubuli an. (3) Kurzer Arm (p-Arm). (4) Langer Arm (q-Arm).
Schematische Darstellung eines Hox-Gene-Clusters auf einem Arm des Chromosoms mit Centromer

Aufgaben

Primäre Aufgabe der Hox-Gene ist die Gliederung des Embryos entlang der Körperlängsachse (anatomisch: anterior-posterior Achse). Diese Aufgabe erfüllen sie bei allen Tieren, die eine Körperachse besitzen. Verschiedene Stämme oder Ordnungen verfügen über eine unterschiedliche Anzahl von Hox-Genen, die bei der Embryonalentwicklung jeweils in einem bestimmten Abschnitt exprimiert werden. Dadurch ergibt sich eine Abfolge von Streifen innerhalb des Embryonalgewebes. Die Zellen dieses Streifens erhalten dadurch eine Lageinformation über ihre Position im sich entwickelnden Embryo; ihre weitere Teilung, ihre Differenzierung und ggf. ihr programmierter Zelltod (Apoptose) erfolgen dann dieser Lage entsprechend. Besonders markant ist die Ausbildung und die spezifische Form von Extremitäten. Bei Insekten bestimmt sich über die Hox-Gene, ob an einem Segment Extremitätenanlagen entstehen. Später regeln sie dann, welche Art von Extremitäten (z.B. Antennen, Mundwerkzeuge, Beine, Flügel) gebildet wird. Beim Wirbeltierembryo (auch beim Menschen) bestimmen die Hox-Gene u.a. die Ausbildung und Form der Wirbel (Halswirbel, Brustwirbel, Lendenwirbel) und Rippen. Die Stammgruppen der Insekten (Arthropoda) und Wirbeltiere (Chordata) sind segmentierte Organismen. Hox-Gene sind aber bei Organismen ohne Segmente in gleicher Weise an der Organisation beteiligt.

Die zweite Körperachse der Bilateria, die Oben-Unten-Achse (anatomisch: Dorsal-Ventral-Achse) wird nicht von Hox-Genen gesteuert. Für ihre Festlegung sind andere Transkriptionsfaktoren verantwortlich (decapentaplegic oder bone morphogenetic protein (Dpp/Bmp) und short gastrulation oder chordin (Sog/Chrd)).

Evolution

Seit einigen Jahren ist klar geworden, dass die Hox-Gene nur ein Bestandteil einer größeren Familie von Genen mit jeweils ähnlicher Funktion darstellen. Außer den Hox-Genen existieren die Familien der ParaHox-Gene und der sog. NK-Gene (benannt nach ihren Entdeckern Niremberg und Kim). Mit einigen weiteren, kleineren Genfamilien bilden sie den sog. "ANTP-Megacluster". Möglicherweise besitzen die jeweiligen Familien besondere Beziehungen zu jeweils einem der embryonalen Keimblätter: Hox zum Neuroektoderm, ParaHox zum Endoderm, NK zum Mesoderm. Wenn sich diese Theorie bestätigen würde, hätte dies tiefgreifende Auswirkungen auf die Rekonstruktion des gemeinsamen Stammbaums der Tierstämme.

Alle hierher gehörigen Gene weisen so große Übereinstimmung in ihrer Basensequenz auch abseits der Homöobox auf, dass man ihre Entstehung durch Genverdoppelung aus einem einzigen Ursprungsgen annimmt. Gene aus dem ANTP-Megacluster wurden in allen daraufhin untersuchten mehrzelligen Tieren gefunden. Sie traten in keinem bisher darauf untersuchten Einzeller (Protozoa) auf, insbesondere auch nicht in den Choanoflagellaten, die allgemein als Schwestergruppe der vielzelligen Tiere gelten, d.h. unter den Einzellern am nächsten mit ihnen verwandt sind. Die Entstehung der Genfamilie muss damit bereits beim gemeinsamen Urahnen aller Metazoa (im Präkambrium) existiert haben. Eigentliche Hox-Gene sind allen Tierstämmen mit Ausnahme der Schwämme, der Rippenquallen[1] (und möglicherweise der Placozoa) gemeinsam. Bei den Nesseltieren (Cnidaria) existieren zwei Hox-Gene. Die primitivsten Bilateria, die acoelomorphen Plattwürmer, besitzen vier. Bei allen höher organisierten Tierstämmen werden die Verhältnisse komplizierter, weil in verschiedenen Linien sich einzelne Hox-Gene aufgespalten (verdoppelt) haben und andere verschwunden sind. Dadurch entsprechen sich die verbleibenden Hox-Gene nicht immer direkt, auch wenn ihre Anzahl möglicherweise gleich ist. Arthropoden und Mollusken weisen z.B. beide jeweils neun Hox-Gene auf.

Am kompliziertesten sind die Verhältnisse bei dem Überstamm der Deuterostomia, zu dem auch die Wirbeltiere gehören. Das Lanzettfischchen Amphioxus, letzter überlebender Vertreter der Schädellosen (Acrania), die als nächste Verwandte des Vorfahren der höheren Wirbeltiere gelten, besitzt fünfzehn Hox-Gene. Die vierfüßigen Wirbeltiere (Tetrapoda) besitzen 39 Hox-Gene, die sich in vier Gencluster einteilen lassen. Heute wird allgemein angenommen, dass sich das Wirbeltiergenom (einschließlich der Hox-Gene) im Verlauf der Evolution zweimal komplett verdoppelt hat. Die heutige Zahl kommt durch den nachträglichen Verlust einzelner Gene zu einem späteren Zeitpunkt zustande. Noch mehr Hox-Gene besitzen verschiedene Entwicklungslinien der Knochenfische, bei dem es nach der Abspaltung der Tetrapoda zu weiteren Genverdoppelungen gekommen ist.

Die Hox-Gene aller höher organisierten Stämme lassen sich vier Genfamilien zuordnen, die auf die vier Hox-Gene des Urbilateriers zurückgeführt werden. Die einzelnen Gene innerhalb der verschiedenen Stämme lassen sich in vielen Fällen anhand ihrer Basensequenzen parallelisieren, d.h. sie sind vermutlich aus demselben Ursprungsgen beim gemeinsamen Vorfahren beider Linien hervorgegangen (homolog).

Regulation

Hox-Proteine sind Transkriptionsfaktoren, welche verschiedenen Körperregionen unterschiedliche Identitäten zuweisen, dies geschieht durch Regulation zahlreicher dahinter (im Jargon der Genetiker: "stromab") gelegener Gene, viele davon werden durch mehrere Hox-Proteine gesteuert. In einem bestimmten Segment spielen kleine Unterschiede im Ort und Zeitpunkt der Hox-Genexpression eine wichtige Rolle für das Schicksal sich entwickelnder Organe und Zelllinien. Manche Hox-Gene haben Rollen zusätzlich zur zellulären Musterbildung (Lageinformation) übernommen.

HOX-Gen Verteilung in einem Maus-Embryo (Wirbeltier)

Besonders auffällig ist: Die Reihenfolge der Hox-Gene auf dem Chromosom entspricht der Reihenfolge der von ihnen gesteuerten Körperabschnitte. Zumindest bei den Wirbeltieren entspricht diese auch der Reihenfolge ihrer zeitlichen Exprimierung. Außerdem sind die Hox-Gene meistens in einem einzigen (oder wenigen) Abschnitten direkt benachbart auf dem DNA-Strang angeordnet. Diese regelhafte Anordnung, die auf zugrunde liegende in großen Teilen des Tierreichs konservierte Regulationsvorgänge schließen lässt, wird Kollinearität genannt.

HOX-Gen Verteilung bei einer Drosophila melanogaster (Wirbellose)
.

Hox-Gene wirken auf andere Transkriptionsfaktoren, aber auch auf zahlreiche (manchmal hunderte) von Effektorgenen ein, die sie in Art eines Schalters ein- oder ausschalten können. Dazu lagern sie sich, wie alle Transkriptionsfaktoren, an einen der proteinkodierenden Sequenz des Gens benachbarten Abschnitt (sog. cis-regulatorische Sequenz) an. Gesteuert werden Hox-Gene von anderen, in der Organisation früher ausgeprägten Transkriptionsfaktoren. Diese steuernden Elemente sind im Detail extrem schwierig zu erforschen. Einige Erkenntnisse liegen vom wichtigsten Modellorganismus der Genetiker, der Taufliege Drosophila vor. Demnach sind die regulierenden Sequenzen in Modulen organisiert, die jeweils durch "Puffer" (trennende Elemente) gegeneinander abgeschirmt sind. Während die Basensequenz der Hox-Gene evolutionär konserviert ist, erwiesen sich die cis-regulatorischen Abschnitte schon bei acht verschiedenen Taufliegen-Arten als sehr verschieden. Innerhalb dieses variablen Gesamtensembles existieren aber offensichtlich kürzere Domänen, die zwischen den verschiedenen Arten so ähnlich sind, dass Schalter einer Art durch Proteine einer anderen Art gesteuert werden konnten. Über die Expression des einzelnen Hox-Gens entscheiden Initiator-Elemente innerhalb des jeweiligen Moduls. Darüber hinaus gibt es weitere regulatorische Proteine, die ganze Module abschalten oder in expressionsfähigem Zustand halten können, indem sie die "Verpackung" der DNA in Chromatin-Histonkomplexen verändern. Insgesamt sind die Verhältnisse extrem kompliziert und ihre Erforschung steht noch am Anfang. Die Größenordnungen lassen sich etwa dadurch abschätzen, dass an einem bestimmten Hox-Gen von Drosophila (Ubx) die regulatorischen Sequenzen 98 Prozent der Gesamtgröße ausmachen, der proteinkodierende Abschnitt 2 Prozent.

Datei:Genes hox.jpg
Hox-Gen Strukturen in unterschiedlichen Tierstämmen

Wird ein Hox-Protein durch eine natürliche oder eine künstlich erzeugte Mutation im falschen Körperabschnitt ("ektopisch") exprimiert, hat dies gravierende Konsequenzen für die Entwicklung. Es resultieren schwere Missbildungen, bei denen Organe oder Körperanhänge am falschen Ort entstehen und sich z.B. die Identität ganzer Segmente im Körper verändern kann. Man spricht hier von "homöotischen Transformationen" bzw. "homöotischen Mutationen". Solche homöotische Mutation: z.B. "Antennapedia", bei der bei der Taufliege anstelle von Fühlern Beine wachsen, oder "Bithorax", bei der anstelle von abdominalen Segmenten die thorakalen verdoppelt werden, wurden von Genetikern bereits ab 1915 entdeckt. Sie führten schließlich zur Entdeckung der Hox-Gene. Homöotische Mutationen führen in der Regel zum Tode. Beim Menschen geht z.B. die Ausbildung zusätzlicher Finger (Polydaktylie) vermutlich auf eine homöotische Mutation zurück.

Evolutionäre Entwicklungsbiologie

Die Entdeckung der Hox-Gene war vermutlich der wichtigste Auslöser für die Entstehung einer neuen Forschungsrichtung: Der "Evolutionären Entwicklungsbiologie" (engl.: evolutionary developmental biology, häufig abgekürzt als "Evo-Devo"). Dadurch, dass es nun erstmals möglich war, die genetische Basis für grundlegende Entwicklungsmechanismen direkt zu erforschen, ist die besondere Bedeutung der individuellen ("ontogenetischen") Entwicklung für die Evolution Basis für ein ganz neues Forschungsprogramm geworden. Wichtig ist über die Bedeutung von entwicklungsmechanischen Zwängen auf Richtung und Geschwindigkeit von Evolutionsvorgängen vor allem, dass nun erstmals eine tatsächliche genetische Basis für grundlegende Körperbaupläne, und damit Möglichkeiten für ihre evolutionäre Veränderung, erkennbar sind. Durch unterschiedliche Expression von Hox-Genen lassen sich Vorgänge wie z.B. die Entwicklung der Körperabschnitte (Tagmata) der Insekten aus gleichartig segmentierten Vorläufern oder die Entstehung des Körperbauplans der Schlangen aus eidechsenartigen Vorläufern verstehen. Weitere wesentliche Erkenntnisse betreffen die Verwandtschaftsverhältnisse ganz an der Basis des Stammbaums der Tiere, d.h. bisher völlig rätselhafte Vorgänge wie die Entstehung der Tierstämme sind viel besser verstehbar.

Über die tatsächliche Rolle der Hox-Gene selbst innerhalb dieser Veränderungen gibt es innerhalb der Wissenschaft noch kontroverse Vorstellungen. Einige Wissenschaftler sind der Ansicht, neue Körperbaupläne könnten über eine kleine Mutation so quasi in einem Schritt neu entstehen. Sie stellen sich die Entstehung eines neuen Bauplans also wie eine sehr seltene, günstige homöotische Transformation vor. Die meisten Wissenschaftler sind darüber allerdings anderer Ansicht. Sie haben Modelle entwickelt, wie sich durch kleine Verschiebungen im Verhältnis verschiedener Hox-Proteine dieselben Veränderungen ganz graduell ergeben können.

Literatur

  • D. Futuyama: Evolution; München: Elsevier Verlag, 2007
  • Wehner, Gehring: Zoologie; Stuttgart 2007
  • Lewis, Edward B. (1978). A gene complex controlling segmentation in Drosophila. Nature 276,565 -570.
  • Shigehiro Kuraku & Axel Meyer (2009): The evolution and maintenance of Hox gene clusters in vertebrates and the teleost-specific genome duplication. International Journal of Developmental Biology 53: 765-773.
  • Gabriel Gellon & William McGinnis (1998): Shaping animal body plans in development and evolution by modulation of Hox expression patterns. BioEssays 20.2: 116-125.
  • Joseph C. Pearson, Derek Lemons, William McGinnis (2005): Modulating hox gene functions during animal body patterning. Natur Reviews Genetics 6: 893-904.
  • Denis Duboule (2007): The rise and fall of Hox gene clusters. Development 134, 2549-2560.
  • Graham E. Budd (1999): Does evolution in body patterning genes drive morphological change—or vice versa? BioEssays 21: 326–332.
  • Michalis Averof & Michael Akam (1995): Hox genes and the diversification of insect and crustacean body plans. Nature 376(3): 420-423.
  • Jordi Garcia-Fernàndez (2005): The genesis and evolution of homeobox gene clusters. Nature Reviews Genetics 6: 881-892.
  • Robert K. Maeda and François Karch (2006): The ABC of the BX-C: the bithorax complex explained. Development 133, 1413-1422.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Kevin Pang & Mark Q. Martindale (2008): Developmental expression of homeobox genes in the ctenophore Mnemiopsis leidyi. Development Genes and Evolution 218: 307–319

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News

27.01.2021
Klimawandel | Meeresbiologie
Doppelschlag gegen Korallen
Eine neue Studie zeigt, dass Stress durch steigende Wassertemperaturen die Anpassungsfähigkeit von Korallen an die Ozeanversauerung verringert.
25.01.2021
Genetik | Evolution | Biochemie
Kälteschutz für Zellmembranen
Ein Team um die Pflanzenbiologen Prof.
25.01.2021
Anthropologie | Neurobiologie
Straßenbäume als Mittel gegen Depressionen
Straßenbäume im direkten Lebensumfeld könnten das Risiko für Depressionen in der Stadtbevölkerung reduzieren.
25.01.2021
Botanik | Ökologie
Herbst und Frühjahr sind eng verbunden
Dass Pflanzen infolge des Klimawandels immer früher beginnen zu blühen, darüber haben unter anderem Jenaer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits vor einiger Zeit berichtet.
25.01.2021
Mikrobiologie | Klimawandel
Eisalgen verstärken Grönlands Eisschmelze
Der grönländische Eisschild schmilzt seit 25 Jahren dramatisch. Eine bislang wenig beachtete Triebkraft hierfür sind Eisalgen. Sie verdunkeln die Oberfläche und reduzieren so die Reflexion des Sonnenlichts. Das Eis schmilzt schneller.
25.01.2021
Anatomie | Evolution
Der Giraffenhals: Neues über eine Ikone der Evolution
Die Analyse digitalisierter Sammlungsobjekte konnte eine alte Hypothese bestätigen: Die Giraffe ging einen Sonderweg in der Evolution.
25.01.2021
Zoologie | Taxonomie
Neue Schneckenarten mit prominenten Namenspatronen
Forscher*innen haben vier neue Arten von kleinen Süßwasserschnecken in Neuseeland entdeckt. Drei der neuen Arten wurden von Dr. Gerlien Verhaegen und Dr. Martin Haase vom Zoologischen Institut und Museum nach Persönlichkeiten des gesellschaftlichen Lebens benannt.
25.01.2021
Mikrobiologie | Physiologie | Bionik und Biotechnologie
Mikroschwimmer lernen effizientes Schwimmen von Luftblasen
Forscher zeigen, dass das Geheimnis des optimalen Mikroschwimmens in der Natur liegt. Ein effizienter Mikroschwimmer kann seine Schwimmtechniken von einem unerwarteten Mentor erlernen: einer Luftblase.
22.01.2021
Ethologie | Primatologie
Befreundete Schimpansen kämpfen gemeinsam gegen Rivalen
Menschen kooperieren in großen Gruppen miteinander, um Territorien zu verteidigen oder Krieg zu führen.
22.01.2021
Ökologie | Neobiota
Invasion: Bedrohung durch den Afrikanischen Krallenfrosch wesentlich größer als gedacht
Ein internationales Forscherteam nutze einen neuen Ansatz zur Abschätzung des invasiven Potenzials einer Art.
22.01.2021
Neurobiologie
Grösse von Nervenverbindungen bestimmt Stärke des Signals
Nervenzellen kommunizieren miteinander via Synapsen.
22.01.2021
Mykologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Getreidelagerung: Naturstoffe wirksamer als chemische Insektizide
Senckenberg-Wissenschaftler Thomas Schmitt hat die Wirksamkeit von Kieselerde und einem parasitischen Pilz als Schutz vor Schadinsekten an Getreide im Vergleich zu einem chemischen Insektizid untersucht.
22.01.2021
Biotechnologie | Insektenkunde
Bioinspirierte Robotik: Von Libellen lernen
Forschungsteam der Uni Kiel entschlüsselt Fangapparat der aquatischen Jäger.
20.01.2021
Genetik | Evolution
Was das Genom des Lungenfischs über die Landeroberung der Wirbeltiere verrät
Das vollständig sequenzierte Genom des Australischen Lungenfisches ist das größte sequenzierte Tiergenom und hilft, den Landgang der Wirbeltiere besser zu verstehen.
20.01.2021
Zoologie | Ethologie
Weniger gestresst: Hochrangige Hyänenmännchen haben bei Weibchen beste Chancen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) haben herausgefunden, dass die Interaktion mit anderen Männchen für rangniedrige Tüpfelhyänenmännchen "stressiger" ist als für hochrangige.
18.01.2021
Zytologie | Entwicklungsbiologie
Die ersten Löwen-Embryonen aus eingefrorenen Eizellen
E
18.01.2021
Mikrobiologie | Biochemie | Biotechnologie
Mikroorganismus baut Phenol unter extremen Bedingungen ab
Forschende vom Leibniz-Institut DSMZ in Braunschweig haben den Abbau von Phenol durch Saccharolobus solfataricus charakterisiert.
18.01.2021
Physiologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Methanausstoß von Milchkühen messen
Wissenschaftler des Instituts für Nutztierbiologie Dummerstorf haben ein neues Verfahren zur Vorhersage des Methanausstoßes einer Milchkuh entwickelt.
18.01.2021
Zoologie | Genetik | Ethologie
Berliner Igel bilden keine genetisch isolierten Bestände
Igel leben sowohl auf dem Lande als auch in größeren Städten.
16.01.2021
Botanik | Taxonomie
Die einzigartige Flora Neukaledoniens
Sieben neue Arten der Hundsgiftgewächse (Apocynaceae) haben Forscher*innen der Universität Bayreuth in Neukaledonien entdeckt. Auf den Spuren des britischen Entdeckers James Cook untersuchten sie im Frühjahr 2019 die Flora auf der Inselgruppe im Südwestpazifik.
16.01.2021
Taxonomie | Fischkunde
Neue Fischgattung aus Indien: Der Kiemenschlitzaal
Senckenberg-Wissenschaftler Ralf Britz hat gemeinsam mit internationalen Kolleg*innen eine neue Fischgattung beschrieben.
16.01.2021
Anthropologie
Wo man lebt, prägt das Verhalten
Je nachdem, wo auf der Welt sie leben, organisieren Menschen aus Jäger- und Sammlergesellschaften sich ihr Leben zum Beispiel bei der Nahrungssuche, Fortpflanzung, Betreuung des Nachwuchses und sogar hinsichtlich ihres sozialen Umfelds ähnlich wie Säugetier- und Vogelarten, mit denen sie ihren Lebensraum teilen.
16.01.2021
Ökologie | Biochemie
Wie Pflanzen Abwehrgifte bilden ohne sich selbst zu schaden
In einer neuen Studie klären Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Münster die Biosynthese und genaue Wirkungsweise von Diterpen-Glykosiden in wilden Tabakpflanzen auf.
13.01.2021
Zoologie | Ethologie | Meeresbiologie
Kegelrobben fressen Seehunde, Schweinswale – und ihre Artgenossen
Kegelrobben (Halichoerus grypus) sind Deutschlands größte freilebende Raubtiere. Viele Feriengäste kennen das Bild, wenn sie auf Helgoland am Strand oder in anderen Nordseeregionen auf Sandbänken liegen – friedlich nebeneinander oder neben Seehunden.
12.01.2021
Botanik | Ökologie | Insektenkunde
Schmetterling beweist: Karpaten waren in der Eiszeit teilweise bewaldet
Senckenberg-Wissenschaftler haben die Rückzugsorte des Tagfalters Erebia aethiops während der letzten Eiszeit in Europa untersucht.