El patrón de ADN afecta el desarrollo de la anatomía
Una homeobox es una secuencia de ADN de alrededor de 180 pares de bases de longitud que regula características anatómicas a gran escala en las primeras etapas del desarrollo embrionario. Las mutaciones en una homeobox pueden cambiar características anatómicas a gran escala del organismo adulto.
Los homeoboxes se encuentran dentro de los genes que están involucrados en la regulación de patrones de desarrollo anatómico ( morfogénesis ) en animales , hongos , plantas y numerosos eucariotas unicelulares . [2] Los genes homeobox codifican productos proteicos de homeodominio que son factores de transcripción que comparten una estructura de plegamiento proteico característica que se une al ADN para regular la expresión de genes diana. [3] [4] [2] Las proteínas homeodominio regulan la expresión genética y la diferenciación celular durante el desarrollo embrionario temprano, por lo que las mutaciones en los genes homeobox pueden causar trastornos del desarrollo. [5]
Homeosis es un término acuñado por William Bateson para describir el reemplazo total de una parte discreta del cuerpo por otra parte del cuerpo, por ejemplo, antenapedia : reemplazo de la antena en la cabeza de una mosca de la fruta por patas. [6] El prefijo "homeo-" en las palabras "homeobox" y "homeodominio" proviene de este fenotipo mutacional , que se observa cuando algunos de estos genes están mutados en animales . El dominio homeobox se identificó por primera vez en varias proteínas homeóticas y de segmentación de Drosophila , pero ahora se sabe que está bien conservado en muchos otros animales, incluidos los vertebrados . [3] [7] [8]
Descubrimiento
La Drosophila con el fenotipo mutante Antennapedia exhibe una transformación homeótica de las antenas en estructuras similares a patas en la cabeza.
La existencia de genes homeobox se descubrió por primera vez en Drosophila al aislar el gen responsable de una transformación homeótica donde las patas crecen de la cabeza en lugar de las antenas esperadas. Walter Gehring identificó un gen llamado Antennapedia que causó este fenotipo homeótico. [9] El análisis de Antennapedia reveló que este gen contenía una secuencia de 180 pares de bases que codificaba un dominio de unión al ADN, que William McGinnis denominó "homeobox". [10] La existencia de genes adicionales de Drosophila que contenían la secuencia homeobox de Antennapedia fue informada de forma independiente por Ernst Hafen, Michael Levine , William McGinnis y Walter Jakob Gehring de la Universidad de Basilea en Suiza y Matthew P. Scott y Amy Weiner de la Universidad de Indiana en Bloomington en 1984. [11] [12] El aislamiento de genes homólogos por Edward de Robertis y William McGinnis reveló que numerosos genes de una variedad de especies contenían la homeobox. [13] [14] Estudios filogenéticos posteriores que detallan la relación evolutiva entre los genes que contienen homeobox mostraron que estos genes están presentes en todos los animales bilaterales .
Estructura del homeodominio
El pliegue característico de la proteína homeodominio consiste en un dominio de 60 aminoácidos de longitud compuesto por tres hélices alfa. A continuación se muestra el homeodominio de consenso (cadena de ~60 aminoácidos): [15]
El complejo homeodominio-ADN vnd/NK-2. La hélice 3 del homeodominio se une en el surco mayor del ADN y el brazo N-terminal se une en el surco menor, de manera análoga a otros complejos homeodominio-ADN.
La segunda y la tercera hélice forman una estructura denominada hélice-vuelta-hélice (HTH), en la que las dos hélices alfa están conectadas por una región de bucle corto. Las dos hélices N-terminales del homeodominio son antiparalelas y la hélice C-terminal más larga es aproximadamente perpendicular a los ejes establecidos por las dos primeras. Es esta tercera hélice la que interactúa directamente con el ADN a través de una serie de enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas, así como interacciones indirectas a través de moléculas de agua, que ocurren entre cadenas laterales específicas y las bases expuestas dentro del surco mayor del ADN. [7]
Las proteínas de homeodominio se encuentran en eucariotas . [2] A través del motivo HTH, comparten una similitud de secuencia limitada y una similitud estructural con los factores de transcripción procariotas, [16] como las proteínas del fago lambda que alteran la expresión de genes en procariotas . El motivo HTH muestra cierta similitud de secuencia pero una estructura similar en una amplia gama de proteínas de unión al ADN (por ejemplo, proteínas cro y represoras , proteínas de homeodominio, etc.). Una de las principales diferencias entre los motivos HTH en estas diferentes proteínas surge del requisito estereoquímico de glicina en el giro que se necesita para evitar la interferencia estérica del carbono beta con la cadena principal: para las proteínas cro y represoras, la glicina parece ser obligatoria, mientras que para muchas de las proteínas homeóticas y otras proteínas de unión al ADN el requisito es relajado.
Especificidad de secuencia
Los homeodominios pueden unirse tanto de forma específica como no específica al ADN-B, con la hélice de reconocimiento C-terminal alineada en el surco mayor del ADN y la "cola" peptídica no estructurada en el extremo N-terminal alineada en el surco menor. La hélice de reconocimiento y los bucles entre hélices son ricos en residuos de arginina y lisina , que forman enlaces de hidrógeno con la estructura principal del ADN. Los residuos hidrofóbicos conservados en el centro de la hélice de reconocimiento ayudan a estabilizar el empaquetamiento de la hélice. Las proteínas homeodominio muestran una preferencia por la secuencia de ADN 5'-TAAT-3'; la unión independiente de la secuencia se produce con una afinidad significativamente menor. La especificidad de una sola proteína homeodominio normalmente no es suficiente para reconocer promotores específicos de genes diana, lo que hace que la unión de cofactores sea un mecanismo importante para controlar la especificidad de la secuencia de unión y la expresión del gen diana. Para lograr una mayor especificidad de la diana, las proteínas homeodominio forman complejos con otros factores de transcripción para reconocer la región promotora de un gen diana específico.
Función biológica
Las proteínas homeodominio funcionan como factores de transcripción debido a las propiedades de unión al ADN del motivo HTH conservado. Las proteínas homeodominio se consideran genes de control maestro, lo que significa que una sola proteína puede regular la expresión de muchos genes diana. Las proteínas homeodominio dirigen la formación de los ejes corporales y las estructuras corporales durante el desarrollo embrionario temprano . [17] Muchas proteínas homeodominio inducen la diferenciación celular al iniciar las cascadas de genes corregulados necesarios para producir tejidos y órganos individuales . Otras proteínas de la familia, como NANOG, participan en el mantenimiento de la pluripotencia y la prevención de la diferenciación celular.
Regulación
Los genes Hox y sus microARN asociados son reguladores maestros del desarrollo altamente conservados con un control espaciotemporal estricto y específico de tejido. Se sabe que estos genes están desregulados en varios tipos de cáncer y a menudo están controlados por la metilación del ADN. [18] [19] La regulación de los genes Hox es altamente compleja e involucra interacciones recíprocas, principalmente inhibitorias. Se sabe que Drosophila usa los complejos polycomb y trithorax para mantener la expresión de los genes Hox después de la regulación negativa de los genes pair-rule y gap que ocurre durante el desarrollo larvario. Las proteínas del grupo Polycomb pueden silenciar los genes Hox mediante la modulación de la estructura de la cromatina . [20]
Mutaciones
Las mutaciones de los genes homeobox pueden producir cambios fenotípicos fácilmente visibles en la identidad de los segmentos corporales, como los fenotipos mutantes Antennapedia y Bithorax en Drosophila . La duplicación de los genes homeobox puede producir nuevos segmentos corporales y es probable que dichas duplicaciones hayan sido importantes en la evolución de los animales segmentados.
Evolución
El análisis filogenético de las secuencias de genes homeobox y las estructuras de proteínas homeodominio sugiere que el último ancestro común de plantas, hongos y animales tenía al menos dos genes homeobox. [21] La evidencia molecular muestra que un número limitado de genes Hox han existido en los Cnidaria desde antes de los primeros Bilatera verdaderos , lo que hace que estos genes sean prepaleozoicos . [ 22] Se acepta que los tres principales grupos de la clase ANTP animal, Hox, ParaHox y NK (MetaHox), son el resultado de duplicaciones segmentarias. Una primera duplicación creó MetaHox y ProtoHox, el último de los cuales luego se duplicó en Hox y ParaHox. Los grupos en sí fueron creados por duplicaciones en tándem de un solo gen homeobox de la clase ANTP. [23] La duplicación de genes seguida de neofuncionalización es responsable de los muchos genes homeobox que se encuentran en eucariotas. [24] [25] La comparación de genes homeobox y grupos de genes se ha utilizado para comprender la evolución de la estructura del genoma y la morfología corporal en todos los metazoos. [26]
Tipos de genes homeobox
Genes Hox
Expresión del gen Hox en Drosophila melanogaster .
Los genes Hox son el subconjunto más conocido de genes homeobox. Son genes metazoarios esenciales que determinan la identidad de las regiones embrionarias a lo largo del eje anteroposterior. [27] El primer gen Hox de vertebrados fue aislado en Xenopus por Edward De Robertis y colegas en 1984. [28] El principal interés en este conjunto de genes surge de su comportamiento y disposición únicos en el genoma. Los genes Hox se encuentran típicamente en un grupo organizado. El orden lineal de los genes Hox dentro de un grupo está directamente correlacionado con el orden en que se expresan tanto en el tiempo como en el espacio durante el desarrollo. Este fenómeno se llama colinealidad.
Las mutaciones en estos genes homeóticos provocan el desplazamiento de segmentos corporales durante el desarrollo embrionario. Esto se denomina ectopia . Por ejemplo, cuando se pierde un gen, el segmento se desarrolla en uno más anterior, mientras que una mutación que conduce a una ganancia de función hace que un segmento se desarrolle en uno más posterior. Ejemplos famosos son Antennapedia y bithorax en Drosophila , que pueden causar el desarrollo de patas en lugar de antenas y el desarrollo de un tórax duplicado, respectivamente. [29]
En los vertebrados, los cuatro grupos parálogos son parcialmente redundantes en función, pero también han adquirido varias funciones derivadas. Por ejemplo, HoxA y HoxD especifican la identidad del segmento a lo largo del eje de las extremidades . [30] [31] Se ha implicado a miembros específicos de la familia Hox en la remodelación vascular, la angiogénesis y la enfermedad al orquestar cambios en la degradación de la matriz, las integrinas y los componentes de la matriz extracelular. [32] HoxA5 está implicado en la aterosclerosis. [33] [34] HoxD3 y HoxB3 son genes proinvasivos, angiogénicos que regulan positivamente las integrinas b3 y a5 y Efna1 en las CE, respectivamente. [35] [36] [37] [38] HoxA3 induce la migración de células endoteliales (CE) al regular positivamente MMP14 y uPAR. Por el contrario, HoxD10 y HoxA5 tienen el efecto opuesto de suprimir la migración de EC y la angiogénesis, y estabilizar las uniones adherentes al regular positivamente TIMP1/regular negativamente uPAR y MMP14, y al regular positivamente Tsp2/regular negativamente VEGFR2, Efna1, Hif1alpha y COX-2, respectivamente. [39] [40] HoxA5 también regula positivamente el supresor tumoral p53 y Akt1 al regular negativamente PTEN. [41] Se ha demostrado que la supresión de HoxA5 atenúa el crecimiento del hemangioma . [42] HoxA5 tiene efectos de largo alcance en la expresión genética, haciendo que ~300 genes se regulen positivamente tras su inducción en líneas celulares de cáncer de mama. [42] La sobreexpresión del dominio de transducción de la proteína HoxA5 previene la inflamación, como se demuestra por la inhibición de la unión de monocitos inducible por TNFalfa a HUVEC. [43] [44]
Genes LIM
Los genes LIM (que reciben su nombre de las letras iniciales de los nombres de tres proteínas en las que se identificó por primera vez el dominio característico) codifican dos dominios LIM de 60 aminoácidos ricos en cisteína e histidina y un homeodominio. Los dominios LIM funcionan en interacciones proteína-proteína y pueden unirse a moléculas de zinc. Las proteínas del dominio LIM se encuentran tanto en el citosol como en el núcleo. Funcionan en la remodelación del citoesqueleto, en sitios de adhesión focal, como andamiajes para complejos proteicos y como factores de transcripción. [45]
Genes Pax
La mayoría de los genes Pax contienen un homeobox y un dominio emparejado que también se une al ADN para aumentar la especificidad de unión, aunque algunos genes Pax han perdido toda o parte de la secuencia del homeobox. [46] Los genes Pax funcionan en la segmentación del embrión , el desarrollo del sistema nervioso , la generación de los campos oculares frontales , el desarrollo esquelético y la formación de las estructuras faciales. Pax 6 es un regulador maestro del desarrollo ocular, de modo que el gen es necesario para el desarrollo de la vesícula óptica y las estructuras oculares posteriores. [47]
Genes POU
Las proteínas que contienen una región POU constan de un homeodominio y un dominio POU estructuralmente homólogo separado que contiene dos motivos de hélice-giro-hélice y también se une al ADN. Los dos dominios están unidos por un bucle flexible que es lo suficientemente largo como para estirarse alrededor de la hélice de ADN, lo que permite que los dos dominios se unan en lados opuestos del ADN objetivo, cubriendo colectivamente un segmento de ocho bases con la secuencia de consenso 5'-ATGCAAAT-3'. Los dominios individuales de las proteínas POU se unen al ADN solo débilmente, pero tienen una fuerte afinidad específica de secuencia cuando se unen. El dominio POU en sí tiene una similitud estructural significativa con los represores expresados en bacteriófagos , particularmente el fago lambda .
Genes homeobox de plantas
Al igual que en los animales, los genes homeobox de las plantas codifican el homeodominio típico de unión al ADN de 60 aminoácidos de longitud o, en el caso de los genes homeobox TALE (extensión de bucle de tres aminoácidos), un homeodominio atípico que consta de 63 aminoácidos. Según su estructura intrón-exón conservada y sus arquitecturas de codominios únicas, se han agrupado en 14 clases distintas: HD-ZIP I a IV, BEL, KNOX, PLINC, WOX, PHD, DDT, NDX, LD, SAWADEE y PINTOX. [24] La conservación de los codominios sugiere una ascendencia eucariota común para las proteínas de homeodominio TALE [48] y no TALE. [49]
Genes homeobox humanos
Los genes Hox en los humanos están organizados en cuatro grupos cromosómicos:
Los genes ParaHox se encuentran de forma análoga en cuatro áreas. Entre ellos se encuentran CDX1 , CDX2 , CDX4 ; GSX1 , GSX2; y PDX1 . Otros genes considerados similares a Hox son EVX1 , EVX2; GBX1, GBX2 ; MEOX1 , MEOX2 ; y MNX1 . Los genes similares a NK (NKL), algunos de los cuales se consideran "MetaHox", se agrupan con los genes similares a Hox en un gran grupo similar a ANTP. [50] [51]
Los humanos tenemos una familia de homeoboxes "distal-less" : DLX1 , DLX2 , DLX3 , DLX4 , DLX5 y DLX6 . Los genes Dlx están involucrados en el desarrollo del sistema nervioso y de las extremidades. [52] Se los considera un subconjunto de los genes similares a NK. [50]
Los genes homeobox TALE (extensión de bucle de tres aminoácidos) humanos para un homeodominio "atípico" constan de 63 aminoácidos en lugar de 60: IRX1 , IRX2 , IRX3 , IRX4 , IRX5 , IRX6 ; MEIS1 , MEIS2 , MEIS3; MKX ; PBX1 , PBX2 , PBX3 , PBX4; PKNOX1 , PKNOX2 ; TGIF1 , TGIF2 , TGIF2LX, TGIF2LY. [50]
Además, los humanos tienen los siguientes genes y proteínas homeobox: [50]
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Lectura adicional
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Enlaces externos
El recurso del homeodominio (Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, Institutos Nacionales de Salud)
HomeoDB: una base de datos de la diversidad de genes homeobox. Zhong YF, Butts T, Holland PWH, desde 2008. Archivado el 1 de junio de 2021 en Wayback Machine.
