Den Eren genet ( hb ) er en segmentering gen som er en del av familien av den gap-genet (i) . Det er involvert i dannelsen av segmenter i leddyr. Gapgener er de første som uttrykkes blant segmenteringsgener. Genene er ofte navngitt av fenotypen til mutantene, en mutasjon i et gapgen forårsaker tap av et segment som skaper et "gap" ("gap" på engelsk) i det normale utviklingsmønsteret, så hvis Hunchback- genet blir mutert , vil gnata- og thoraxsegmentene være fraværende, defekter i dannelsen av magen og slikt kan også observeres. Spalte genene koder for transkripsjonsfaktorer som regulerer ekspresjonen av par-regel gener som er involvert i etableringen av parasegments (tilsvarende til den fremre del av et segment og den bakre del av et annet segment, parasegments er derfor alternative). Hvis et parregelgen blir mutert, vil en endring av den normale fenotypen bli observert på halvparten av segmentene. Segmentpolaritetsgener er de siste segmenteringsgenene som skal uttrykkes, de gjør det mulig å sette opp de fremre og bakre grensene til segmentene. Segmenteringsgener aktiverer også homeotiske gener som definerer identiteten til hvert segment.
Hos insekter kan det skilles mellom to typer utvikling: holometabolske insekter (fullstendig metamorfose) og heterometabolske insekter (progressiv utvikling eller ufullstendig metamorfose). Utseendet til metamorfose er nylig i evolusjonen. Holometabolske insekter har derfor utviklet tegn i forhold til heterometabolske. For å forstå hvordan genene som er involvert i disse to utviklingstypene har utviklet seg over tid, er det nødvendig å sammenligne forskjellige organismer med hverandre. Med dette i bakhodet har mange studier i evolusjonær utviklingsbiologi blitt utført for å sammenligne uttrykkene til forskjellige utviklingsgener i flere arter for å vite hvilke gener som er konservert og forstå deres utvikling innen leddyr. Sammenligninger med andre organismer nær leddyr, som nematoder og annelider, ble også laget for å vite hvordan genene utviklet seg under divergensen mellom disse to gruppene og leddyrene. Sammenligning av funksjonene til dette genet med homologer hos virveldyr, organismer som også viser metameria, lar oss bedre forstå hvordan mekanismene som tillater metamerisering av kroppen har utviklet seg.
Drosophila, et holometabolsk insekt, er en modellorganisme i utviklingsbiologi, de molekylære mekanismene som er involvert i embryogenesen er velkjente. Dette er grunnen til at mange studier sammenligner ekspresjon av Drosophila-gener med ortologe gener fra andre arter.
I Drosophila koder Hunchback- genet en transkripsjonsfaktor med seks sinkfingerdomener (DNA-bindingssteder) som er sterkt konservert i insekter. Dette genet spiller en avgjørende rolle i etableringen av den anteroposterior aksen.
Den segmentering av Drosophila er overfladisk fordi eggene er centroleciths (plommen er i midten av egg), bare kjerner skillet i en felles cytoplasma (syncicium), snakker vi om en syncicial embryo. Cellene er individualisert i periferien til den 14 th divisjon. Distribusjonen av mors determinanter (RNA fra moren) vil tillate etablering av den antero-bakre aksen under segmentering. Bicoid er tilstede på den fremre siden og nanoer er tilstede på den bakre siden, mors munchback mRNA fordeles homogent i embryoet. Bicoid- og Nanos-proteinene fordeles i motsatte gradienter i embryoet og hemmer henholdsvis ekspresjonen av kaudal i den fremre regionen og pukkelen i den bakre regionen. Gradientene av Hunchback-, Caudal- og Bicoid-proteinene aktiverer den zygotiske transkripsjonen av flere gapgener langs den antero-posteriore aksen, inkludert Hunchback- genet . Hunchback- genet virker derfor hovedsakelig i syncitial tilstand. Det uttrykkes for det meste i den fremre delen, under utvikling avtar dette uttrykket og før gastrulering hb uttrykkes også i den bakre delen av embryoet. Til slutt uttrykkes hb i neuroblaster (stamceller i nervesystemet).
Hunchback koder for et protein (HB-protein) som er en transkripsjonsfaktor som består av seks sinkfingerdomener: 4 i midten av proteinet og 2 i den C-terminale posisjonen. På mRNA er et bindingssted for Nanos-proteinet kalt Nanos Response Element (NRE) lokalisert i 3'UTR 55 nukleotiddelen av STOP-kodonen.
HB-proteinet har en viktig rolle i dannelsen av den fremre delen av dyret og i segmenteringen av denne delen ved å fungere som et morfogen i synergi med Bicoid for å kontrollere ekspresjonen av flere andre gener.
Hunchback tillater dannelse av gnata-, thorax- og labial-segmentene og deltar i dannelsen av flere magesegmenter.
I nervesystemet uttrykker nevroblaster suksessivt transkripsjonsfaktorer som vil tillate deres differensiering i nervesystemets celler. Den første transkripsjonsfaktoren uttrykt er HB som vil delta i reguleringen av POU-proteiner (transkripsjonsfaktorer uttrykt i sentralnervesystemet).
HB styrer ekspresjonen av flere gapgener som Krüppel som et lavt nivå av HB aktiverer ekspresjonen mens et høyt nivå undertrykker det, dette genet blir derfor uttrykt i den midtre delen av embryoet; de Knirps og Giant gener som er undertrykt i den fremre del av HB eller Antennapedia . HB undertrykker også uttrykket av Ultrabithorax ( Ubx ) som tillater differensiering av thorax- og abdominalsegmentene. Dette genet uttrykkes når det er lite HB-protein, derfor i den sentrale delen av embryoet. HB-proteinet tillater dannelse av et kompleks som undertrykker Ubx ved å virke på dets proksimale promotor, og forhindrer dermed aktivatorer fra å binde seg. Undertrykkelse av Ubx- genet av Hunchback forekommer på et avansert stadium i embryoutvikling når hb ikke lenger er nødvendig for sine andre funksjoner.
Hunchback tillater regulering av Hox- gener : dMI-2-proteinet binder seg til en bestemt region av HB-proteinet og tillater undertrykkelse av Hox- gener .
Mutanter for Hunchback- genet kan oppnås ved for eksempel å mutere forskjellige regioner som koder for hver av sinkfingrene. De vil være preget av et fravær av thorax- og gnathalsegmentene og et fraværende labium, vi observerer derfor et redusert hode. Magen vil også bli deformert, og hvis den andre sinkfingeren blir slettet, så vel som D-boksen (en annen region i genet), kan vi observere dannelsen av magesegmenter i hodet.
Det spirende båndstadiet er det zootypiske stadiet av insekter (eller det filotypiske stadiet, et utviklingsstadium som er felles for alle insekter). Fra dette punktet er det tre typer kimbåndsforlengelse : kort, middels og lang. Hos langstrakte insekter er alle celler langs anteroposterioraksen allerede spesifisert og vil deretter skille seg ut i celler i hodet, thorax eller underliv. Hos insekter med kort utvikling er det bare celler fra den fremre delen som er spesifisert, bakre regioner vil bli spesifisert senere i utviklingen. Kort forlengelsesmodus representerer den mest forfedre formen, mens den lange forlengelsesmodusen, som finnes i Drosophila, representerer en utviklet form for utvikling. Å sammenligne disse utviklingsmåtene i forskjellige arter kan bidra til å forstå hvordan genene som er involvert i disse mekanismene har utviklet seg og å forstå hvordan insekter har gått fra en modus til en annen under evolusjonen.
HolometabolasI Clogmia albipunctata , en diptera, har hb- homologen en rolle som et gapgen som ligner på Drosophila. Ekspresjonen er forskjellig fra Drosophila fordi dette genet uttrykkes i en ekstra embryonal struktur som ikke er tilstede i Drosophila, serosa så vel som i proctodeal-regionen. Uttrykk i den bakre delen forekommer bare i begynnelsen av gastrulering og er derfor forsinket sammenlignet med Drosophila.
I billen Tribolium castaneum (billen) blir homologen til pukkelgenet uttrykt modent gjennom hele embryoet der ekspresjonen reguleres på samme måte som i Drosophila. Proteinet kodet av dette genet bærer 6 sinkfingre, og NRE-sekvensen ligner på Drosophila, som også ligger på 3'-siden av mRNA. Zygotisk uttrykk tillater utvikling av hodet og thorax segmentene. Hb deltar på samme måte som i Drosophila i reguleringen av Krüppel . Det kommer også til uttrykk i nervesystemet. I motsetning til Drosophila, pukkelrygg er uttrykt i serosa som i Clogmia albipunctata . I den bakre delen er uttrykket av hb redusert til 2 ekspresjonsbånd, mens det bare er ett i Drosophila og er senere enn i Drosophila.
Tribolium castaneum utvikler seg med kort kimbåndsforlengelse og har serosa, to forfedre egenskaper som også finnes i Clogmia albipunctata . Faktisk har flere basale insekter to ekstra embryonale vev, amnion og serosa, mens det i mer avledede insekter som Drosophila bare er ett vev, amnioserosa. Mange insekter uttrykker hb i serosa, denne funksjonen har gått tapt under evolusjonen i Drosophila-slekten. Likeledes forekommer uttrykk for hb i den bakre delen senere i linjer mer basale enn Drosophila.
HemimetaboløsHemimetabolske insekter er en del av det heterometabolske, deres metamorfose er ufullstendig og det er en endring i økologi mellom larven og den voksne, dette er tilfelle for eksempel med hemiptera og orthoptera.
I Oncopeltus fasciatus , en nebbmunner, den pukkelrygg homolog er Of'hb . Dette genet koder for et protein med 8 sinkfingerdomener: 2 i N-terminal posisjon, 4 i sentrum av proteinet og 2 i C-terminal posisjon. De siste 6 domenene er homologe med Drosophila. De samme observasjonene ble gjort ved å sammenligne hb med motstykket i gresshoppen Schistocera americana og den trekkende gresshoppen Locusta migratoria , to orthoptera. Dette antyder at det har vært tap av de to domenene i den N-terminale posisjonen under evolusjonen mellom hemimetabol og holometabolous, og dermed gått fra 8 domener i sinkfinger (forfedres tilstand) til 6 domener (avledet tilstand). Det ville da være interessant å vite hva som er funksjonene til de to domenene i N-terminalposisjonen for å vite hvilken rolle de spiller i hemimetabol utvikling og hvorfor de ikke lenger er nødvendige for holometabolisk utvikling.
Of'hb , som i Drosophila, uttrykkes modent, homogent i egget. Uttrykk for Of'hb i blastoderm ligner på Drosophila, men under kimbåndsforlengelse ligner uttrykk det som for andre kortstrakte insekter. Det kommer også til uttrykk i nervesystemet. Of'hb har to roller: den undertrykker mageidentiteten i bryst- og gnathalområdet i embryoet og tillater segmentering av germinalbåndet. Mutanter for dette genet viser fenotyper som ligner på hb- mutanter i Drosophila.
I Schistocera americana har hb- homologen den samme rollen som et gapgen i den fremre delen av embryoet. Det uttrykkes også forbigående i nevroblaster. Den deltar også i reguleringen av Ubx . Som i Drosophila er det en sekvens som koder for bindingsregionen til dMI-2 på HB-proteinet, denne funksjonen har derfor blitt beholdt. Hb- homologen uttrykkes i serosa, som er et kjennetegn ved basale insekter. Mors uttrykk er forskjellig fra Drosophila. Faktisk, i Drosophila maternell og zygotisk uttrykk for hb tillater etablering av den antero-bakre aksen, men i gresshoppe spiller mors uttrykk en rolle i spesifikasjonen av celler som vil danne embryonale og ekstra vev. -Embryonisk.
I denne arten av leech (annelid) er lzf1 og lzf2 de homologe genene til Hunchback .
Sekvensene til hb og Lzf2 er like. Faktisk koder Lzf2 et protein på 468 aminosyrer som inneholder 5 sinkfingerdomener: 3 i den N-terminale regionen og 2 i den C-terminale regionen av proteinet, som ligner på det som finnes i Drosophila, bortsett fra at det er 4 domener. midt i proteinet i sistnevnte. De 3 domener i den N-terminale posisjonen er svært lik den 2 nd , 3 rd og 4 th domener av hb i Drosophila med de respektive prosentandeler av likhet på 81%, 81% og 70%. De to domenene som ligger ved C-terminalen har 43% likhet med domener som ligger på samme sted på hb . Oppstrøms for sekvensen som koder for dette proteinet, koder en annen sekvens (et exon av lzf2 ) for 65 aminosyrer som tilsvarer et sinkfinger-domene. NRE-sekvensen til lzf2 er lokalisert 20 nukleotider fra STOP-kodonen, derfor i 3'UTR-delen av proteinet som på hb i Drosophila og har samme rolle i reguleringen av proteinet som i Drosophila, nemlig bindingen av proteinet. Nanos protein som hemmer ekspresjonen av hb . Lzf1 koder også sinkfingerdomener, men er veldig dårlig uttrykt i embryoet.
Lzf2 har mors- og zygotisk uttrykk, men uttrykket viser noen forskjeller fra dets motstykke i Drosophila. Lzf2 uttrykkes helt i begynnelsen av embryogenesen, i begynnelsen av celledelinger. Under segmentering uttrykkes lzf2 i ektoderm og mesoderm langs anteroposterioraksen mens i Drosophila hb- ekspresjon bare forekommer i den fremre delen. Segmentering av Drosophila krever en gradient av HB, ikke den av leech. Lzf2 og hb har derfor ikke den samme rollen under segmentering. Dette antyder at hb fikk sin funksjon som et gapgen i leddyr eller i insekter etter divergens med annelids, noe som ikke er uforenlig med ideen om at hb gjennomgikk kooptasjon under separasjonen mellom leddyr og annelids. Slik at han kunne tilegne seg denne nye funksjonen. Lzf2 uttrykkes også under organogenese i nervesystemet, tarmen og epidermale strukturer i hvert segment.
Lzf1 og lzf2 er faktisk gener som er ortologe for Hunchback i Drosophila, dvs. de er homologe og stammer fra et enkelt gen som er tilstede i den felles forfedren til insekter og annelider, dette bekreftes av lignende sekvenser. To scenarier kan brukes til å forklare ortologien mellom lzf2 og hb :
Det første scenariet er mest sannsynlig fordi igler har en type segmentering som finnes i alle ringformede og noen leddyr, så de representerer forfedres form.
Lzf1 og lzf2 er paraloger , de kommer fra en duplisering av genet til den felles stamfar for annelider og leddyr som skjedde etter separasjonen av disse 2 gruppene.
Genet som er homologt med Hunchbak av denne nematodearten, er Hbl-1 . Den koder for et protein på 982 aminosyrer med sinkfingerdomener. Tre er plassert i den N-terminale delen og ligner 72% på Drosophila, de to som ligger i den C-terminale delen viser bare 25% likheter.
I motsetning til Drosophila uttrykkes ikke dette genet maternelt, det transkriberes bare i embryoet. Det griper derfor ikke inn i starten av embryogenesen, i motsetning til Drosophila, men er veldig viktig for utviklingen av embryoet siden mutanter for dette genet ikke har fullstendig utvikling. Hbl-1 uttrykkes i celler i hypodermis der det tillater deres differensiering. Det uttrykkes også i celler som vil gi opphav til svelget og i nevroblaster. Hbl-1 deltar også i dannelsen av vulva fordi den er involvert i den midlertidige identiteten til forløperceller i vulva (CPV). Det uttrykkes i larven på forskjellige stadier, hbl-1 regulerer tidspunktet for utvikling av larven.
Ortologer til pukkelrygg -genet hos virveldyr har ennå ikke blitt funnet, men proteinene i Ikaros familien har zinkfingerområder som ligner de som gresshopper HB protein. Disse proteinene deltar i reguleringen av gener som er involvert i kromatin-ombyggingskomplekset i lymfocytter, noe som tillater bestemmelse og kontroll av spredning av disse cellene.
Ikaros samhandler med ortologen til dMI-2 hos mus. Denne funksjonen har derfor blitt bevart under evolusjonen. I tillegg er sekvensene som koder for sinkfinger-domenene til Ikaros-proteinet hos mus og mennesker, like og organisert syntetisk , på kromosom 7 hos mennesker og 11 hos mus. Ortologer til Ikaros har blitt identifisert i Raja eglanteria , en kondrichthyan , basalgruppe , noe som tyder på at disse genene og deres funksjon har blitt bevart under evolusjon av virveldyr.
Funksjonen til Hunchback- genet er svært bevart, til tross for noen forskjeller, under evolusjon hos insekter. Dens rolle er viktig for etableringen av den antero-bakre aksen. Dens involvering i nervesystemet er også til stede i flere organismer.
Sammenligning av ortologer med hb i andre dyrearter har vist at sekvensene til disse genene viser store likheter. Sekvensene som viser den høyeste konserveringsgraden, er de som koder sinkfingerdomenene til HB-proteinet. Hunchback har en avgjørende rolle under embryogenese og tillater regulering av andre gener, seleksjonstrykket på regionene som koder for fiksering av HB til DNA var veldig sterkt under evolusjonen c 'Dette er grunnen til at sekvensene av gener ortologiske til hb viser så mange likheter. Mer generelt er homeoboiter veldig konserverte sekvenser under evolusjonen.
Det faktum at hemimetabolske celler har et protein med 8 sinkfingerdomener som ligner på noen som finnes i annelider og nematoder, antyder at forfedrenes tilstand var den med 8 sinkfinger og som derfor var den tilstanden som ble funnet i forfedren. . Under evolusjonen har det vært et tap av domenene i N-terminal posisjon for å passere til 6 domener i holometabolske insekter. De to domenene i N-terminal posisjon må ha en rolle under utviklingen av heterometabolske insekter som ikke lenger er nødvendig i holometabolske insekter. I tillegg er hb's rolle i dannelsen av anteroposterioraksen ikke tilstede i annelider og nematoder, noe som tyder på at denne rollen dukket opp senere i utviklingen av leddyr eller insekter. Endelig har uttrykk for hb og dens funksjon i serosa gått tapt under evolusjonen mot Drosophila siden dette ekstraembryonale vevet bare er tilstede i de mer basale insektlinjene.
Sekvensen som koder for bindingsstedet til dMI-2 til HB-proteinet, er veldig konservert siden en lignende sekvens er funnet på proteinene fra Ikaros-familien hos virveldyr. Imidlertid har det ikke blitt funnet noen homolog til hb som kan være involvert i metamerisering av virveldyr.