호메오박스

Homeobox
호메오도메인
Homeodomain-dna-1ahd.png
DNA 조각결합된 드로소필라 멜라노가스터의 Antennapedia 호메오도메인 단백질.[1]인식 나선과 비구조화 N-말단은 각각 주홈과 부홈에 결합되어 있다.
식별자
기호.호메오도메인
PF00046
빠맘 클랜CL0123
인터프로IPR001356
스마트SM00389
프로 사이트PDOC00027
SCOP21ahd/SCOPe/SUPFAM

호메오박스는 동물, 곰팡이, 식물, 그리고 수많은 단세포 진핵 [2]생물의 해부학적 발달 패턴의 조절에 관여하는 유전자 에서 약 180개의 염기쌍의 DNA 배열이다.호메오박스 유전자는 표적 [3][4][2]유전자의 발현을 조절하기 위해 DNA를 결합하는 특징적인 단백질 접힘 구조를 공유하는 전사 인자인 호메오도메인 단백질 제품을 암호화한다.호메오도메인 단백질은 초기 배아 발달 과정에서 유전자 발현과 세포 분화를 조절하기 때문에 호메오박스 유전자의 돌연변이는 발달 [5]장애를 일으킬 수 있다.

호메오시스는 분리된 신체 부위를 다른 신체 부위(: 안테나피디아)로 완전히 교체하는 것을 설명하기 위해 윌리엄 베이츠슨이 만든 용어입니다. 초파리 머리에 있는 안테나를 [6]다리로 교체하는 것입니다."homeobox"와 "homeodomain" 단어의 "homeo-" 접두사는 이러한 유전자 중 일부가 동물에서 변이될 때 관찰되는 이 돌연변이 표현형에서 유래합니다.호메오박스 도메인은 많은 드로소필라 균질 및 분할 단백질에서 처음 확인되었지만, 현재는 척추동물을 포함한 [3][7][8]많은 다른 동물에서 잘 보존된 것으로 알려져 있다.

검출

더듬이 돌연변이 표현형을 가진 드로소필라는 더듬이의 동종 변형을 머리에 있는 다리 같은 구조로 나타낸다.

호메오박스 유전자의 존재는 예상된 더듬이 대신 다리가 머리에서 자라는 호메오틱 변형의 원인이 되는 유전자를 분리함으로써 드로소필라에서 처음 발견되었다.월터 게링은 이 동종 표현형을 [9]일으킨 더듬이증이라고 불리는 유전자를 알아냈다.더듬이증의 분석은 이 유전자가 DNA 결합 도메인을 코드하는 180개의 염기쌍 배열을 포함하고 있다는 것을 밝혀냈고, 윌리엄 맥기니스는 이를 "호메오박스"[10]라고 불렀다.더듬이 호메오박스 염기서열을 포함하는 추가 드로소필라 유전자의 존재[11][12]1984년 블루밍턴 인디아나 대학의 에른스트 하펜, 마이클 레빈, 윌리엄 맥기니스, 월터 제이콥 게링에 의해 독립적으로 보고되었다.Edward de Robertis와 William McGinnis에 의한 동종 유전자 분리는 다양한 종의 수많은 유전자가 호메오박스를 [13][14]포함하고 있다는 것을 밝혀냈다.호메오박스를 포함한 유전자 사이의 진화적 관계를 상세히 설명하는 후속 계통학 연구는 이러한 유전자들이 모든 양전자 동물에 존재한다는 것을 보여주었다.

호메오도메인 구조

특징적인 호메오도메인 단백질 접힘은 3개의 알파 헬릭스로 구성된 60-아미노산 길이 도메인으로 구성됩니다.다음은 일치된 호메오도메인(~60개의 아미노산 사슬)[15]을 나타낸다.

Helix 1 Helix 2 Helix 3/4 _______________________________________________________________________________________________________________________________________
vnd/NK-2 호메오도메인-DNA 복합체.다른 호메오도메인-DNA 복합체와 마찬가지로 호메오도메인-DNA 복합체는 DNA의 주요 홈에 결합하고 N 말단 암은 이 작은 홈에 결합한다.

나선 2와 나선 3은 이른바 나선-턴-나선(HTH) 구조를 형성하며, 여기서 두 의 알파 나선은 짧은 루프 영역에 의해 연결된다.호메오도메인의 N 말단 2개의 나선형은 반평행형이며, 긴 C 말단 나선은 처음 두 개에 의해 확립된 축에 대략 수직이다.이 세 번째 나선은 많은 수소 결합과 소수성 상호작용을 통해 DNA와 직접 상호작용하고, 물 분자를 통해 간접 상호작용을 하며,[7] 물 분자는 DNA의 주요 홈 내의 특정 측쇄노출된 염기 사이에서 발생한다.

호메오도메인 단백질은 진핵생물에서 [2]발견된다.HTH 모티브를 통해, 그들은 원핵 생물에서 유전자의 발현을 변화시키는 람다 파지 단백질과 같은 원핵 생물 전사 [16]인자와 제한된 배열 유사성과 구조적 유사성을 공유한다.HTH 모티브는 DNA 결합 단백질(예: 크로억제 단백질, 호메오도메인 단백질 등)의 광범위한 범위에서 일부 배열 유사성을 보이지만 유사한 구조를 보인다.이러한 다른 단백질에서 HTH 모티브 사이의 주요 차이 중 하나는 주요 사슬에 대한 베타 탄소의 입체적 간섭을 피하기 위해 필요한 글리신에 대한 입체 화학적 요구 사항에서 발생한다: 크로와 억제제 단백질의 경우 글리신은 필수인 것으로 보이는 반면, 많은 호메오틱과 다른 DNA-bi의 경우nnding 단백질 요구 사항은 완화된다.

시퀀스 특이성

호메오도메인은 DNA의 주요 홈에 C-말단 인식 나선이 정렬되고, 마이너 홈에 N-말단이 정렬된 비구조화 펩타이드 "꼬리"로 B-DNA에 특이적 및 비특이적으로 결합할 수 있다.인식 나선과 나선간 루프는 DNA 골격에 수소 결합을 형성하는 아르기닌리신 잔기가 풍부하다.인식나선 중심에 보존된 소수성 잔류물은 나선 패킹을 안정시키는 데 도움이 됩니다.호메오도메인 단백질은 DNA 배열 5'-TAAT-3'에 대한 선호도를 나타내며, 배열 비의존적 결합은 현저하게 낮은 친화성으로 발생한다.단일 호메오도메인 단백질의 특이성은 보통 특정 표적 유전자 촉진제를 인식하기에 충분하지 않고, 보조인자 결합은 결합 배열 특이성과 표적 유전자 발현을 제어하는 중요한 메커니즘이 된다.보다 높은 표적 특이성을 달성하기 위해 호메오도메인 단백질은 특정 표적 유전자의 프로모터 영역을 인식하기 위해 다른 전사 인자와 복합체를 형성한다.

생물학적 기능

호메오도메인 단백질은 보존된 HTH 모티브의 DNA 결합 특성 때문에 전사 인자로 기능한다.호메오도메인 단백질은 하나의 단백질이 많은 표적 유전자의 발현을 조절할 수 있다는 것을 의미하며, 마스터 컨트롤 유전자로 간주됩니다.호메오도메인 단백질은 초기 배아 [17]발달 동안 신체 축과 신체 구조의 형성을 지시합니다.많은 호메오도메인 단백질은 개별 조직과 장기를 생산하는 데 필요한 세포조절 유전자의 계단식 분화를 시작함으로써 세포 분화를 유도한다.나노그와 같은 다른 단백질들은 다능성을 유지하고 세포 분화를 막는 데 관여한다.

규정

Hox 유전자와 그와 관련된 마이크로RNA는 조직 고유의 엄격한 시공간적 제어를 가진 고도로 보존된 발달 마스터 조절제이다.이 유전자들은 몇몇 암에서 조절이 잘 안 되는 것으로 알려져 있고 종종 DNA [18][19]메틸화에 의해 조절된다.Hox 유전자의 조절은 매우 복잡하고 대부분 억제적인 상호 작용을 수반한다.드로소필라는 애벌레 발달 과정에서 발생하는 쌍규칙과 간극 유전자의 다운 조절 후 Hox 유전자의 발현을 유지하기 위해 폴리콤트리토락스 복합체를 사용하는 것으로 알려져 있다.폴리콤 그룹 단백질은 염색질 구조의 [20]변조에 의해 HOX 유전자를 침묵시킬 수 있다.

돌연변이

호메오박스 유전자에 대한 돌연변이는 드로소필라의 Antennapedia와 Bitorax 돌연변이 표현형과 같이 신체 세그먼트 정체성에 쉽게 가시적인 표현형 변화를 일으킬 수 있습니다.호메오박스 유전자의 복제는 새로운 신체 세그먼트를 만들 수 있고, 그러한 복제는 분할된 동물의 진화에 중요했을 것이다.

진화

호메오박스 자체는 MraY 효소의 C 말단에 있는 비 DNA 결합 막 통과 도메인에서 진화했을 수 있다.이것은 모든 진핵생물의 [21][unreliable source?]조상에 가장 가까운 원핵생물로 여겨지는 과도기 고고학인 로키아카이움으로부터 얻은 메타게노믹스 데이터에 기초하고 있다.

호메오박스 유전자 배열과 호메오도메인 단백질 구조에 대한 계통학적 분석은 식물, 곰팡이, 동물의 마지막 공통 조상이 적어도 [22]두 개의 호메오박스 유전자를 가지고 있다는 것을 시사한다.분자 증거는 최초의 진정한 빌라테라 이전부터 제한된 수의 Hox 유전자가 Cnidaria에 존재해왔다는 것을 보여주며, 이러한 유전자들은 골생대 [23]이전이 되었습니다.3대 동물 ANTP급 클러스터인 Hox, ParaHox 및 NK(MetaHox)는 분할 복제의 결과로 인정된다.첫 번째 복제는 MetaHox와 ProtoHox를 만들었고, 후자는 Hox와 ParaHox로 복제되었습니다.클러스터 자체는 단일 ANTP-클래스 호메오박스 [24]유전자의 연속 복제에 의해 생성되었다.유전자 복제와 신기능화는 진핵생물에서 [25][26]발견되는 많은 호메오박스 유전자의 원인이 된다.호메오박스 유전자와 유전자 클러스터의 비교는 변형체 [27]전체의 게놈 구조와 신체 형태학의 진화를 이해하기 위해 사용되어 왔다.

호메오박스 유전자의 종류

헉스 유전자

Drosophila melanogaster의 Hox 유전자 발현.

Hox 유전자는 호메오박스 유전자의 가장 일반적으로 알려진 하위 집합이다.그들은 전-후 [28]축을 따라 배아 영역의 정체성을 결정하는 필수적인 변형 유전자입니다.최초의 척추동물 Hox 유전자는 1984년 [29]에드워드로베르티스와 동료들에 의해 Xenopus에서 분리되었다.이 일련의 유전자에 대한 주된 관심은 게놈에서의 그들의 독특한 행동과 배열에서 비롯된다.Hox 유전자는 전형적으로 조직된 군집 안에서 발견된다.군집 내 Hox 유전자의 선형 순서는 그들이 발달하는 동안 시간과 공간 모두에서 발현되는 순서와 직접적으로 관련이 있다.이 현상을 공진성이라고 한다.

이러한 호메오틱 유전자의 돌연변이는 배아 발달 동안 신체 세그먼트의 변위를 일으킨다.이것을 외시라고 합니다.예를 들어, 하나의 유전자가 상실되면 세그먼트는 더 앞쪽 유전자로 발달하고, 기능의 향상을 이끄는 돌연변이는 더 뒤쪽 유전자로 발달한다.유명한 예로 드로소필라안테나피디아비토락스가 있는데,[30] 이것은 각각 더듬이 대신 다리의 발달과 중복된 흉곽의 발달을 일으킬 수 있다.

척추동물에서, 네 의 평행군단은 부분적으로 기능이 중복되지만, 몇 가지 파생된 기능도 얻었다.예를 들어 HoxA 및 HoxD는 사지 [31][32]축을 따라 세그먼트 ID를 지정합니다.Hox 패밀리의 특정 구성원은 매트릭스 열화, 인테그린 및 [33]ECM 구성 요소의 변화를 조정하여 혈관 리모델링, 혈관 형성 및 질병에 관여하고 있습니다.HoxA5는 아테롬성 동맥경화에 [34][35]관여합니다.HoxD3와 HoxB3는 각각 [36][37][38][39]EC에서 b3와 a5 인테그린과 Efna1을 상향 조절하는 프로침습성 혈관 발생 유전자입니다.HoxA3는 MMP14 및 uPAR을 상향 조정함으로써 내피세포(EC) 이동을 유도한다.반대로 HoxD10 및 HoxA5는 TIMP1/uPAR 및 MMP14의 상향조정/하향조정 및 VEGFR2, Efna1, Hox1/H1-Alpha의 상향조정에 의해 EC의 이행 및 혈관신생을 억제하고 아데렌스 접합을 안정화시키는 역효과를 가진다.또한 HoxA5는 PTEN의 [42]하향조절에 의해 종양억제제 p53 및 Akt1을 상향조절한다.HoxA5의 억제는 혈관종 성장을 [43]감소시키는 것으로 나타났다.HoxA5는 유전자 발현에 광범위한 영향을 미쳐 유방암 세포주에서의 [43]유도 후 최대 300개의 유전자가 상향 조절된다.HoxA5 단백질 전달 도메인의 과발현은 HUVEC에 [44][45]대한 TNFalpha 유도 단구 결합의 저해에 의해 나타나는 염증을 예방한다.

LIM 유전자

LIM 유전자(특징 도메인이 처음 확인된 세 개의 단백질 이름의 첫 글자를 따서 명명됨)는 두 개의 아미노산 시스테인과 히스티딘이 풍부한 LIM 도메인과 호메오도메인을 부호화한다.LIM 도메인은 단백질-단백질 상호작용에서 기능하며 아연 분자와 결합할 수 있습니다.LIM 도메인 단백질은 세포질과 핵 모두에서 발견된다.세포골격 리모델링, 초점 접착 부위, 단백질 복합체를 위한 발판 및 전사 [46]인자로 기능한다.

팍스 유전자

대부분의 팍스 유전자는 호메오박스와 결합 특이성을 높이기 위해 DNA를 결합하는 쌍을 이루는 도메인을 포함하고 있지만, 일부 팍스 유전자는 호메오박스 [47]배열의 전부 또는 일부를 잃었습니다.팍스 유전자는 배아 분할, 신경계 발달, 전두안구장 생성, 골격 발달, 얼굴 구조 형성 등에서 기능한다.Pax 6은 눈 발달의 주요 조절제이며, 따라서 유전자는 시신경 및 후속 눈 [48]구조의 발달에 필요하다.

POU유전자

POU 영역을 포함하는 단백질은 호메오도메인과 두 개의 나선-나선 모티브를 포함하고 DNA를 결합하는 별도의 구조 상동 POU 도메인으로 구성된다.두 도메인은 DNA 나선을 따라 확장하기에 충분히 긴 유연한 루프로 연결되며, 두 도메인은 대상 DNA의 반대쪽에서 결합할 수 있으며, 합의 시퀀스 5'-ATGCAAT-3'로 8개 염기 세그먼트를 총칭한다.POU 단백질의 개별 도메인은 DNA를 약하게 결합할 뿐이지만 결합 시 배열 특이적 친화력이 강하다.POU 도메인 자체는 박테리오파지, 특히 람다 파지에서 발현되는 억제제와 상당한 구조적 유사성을 가지고 있다.

식물 호메오박스 유전자

동물과 마찬가지로 식물 호메오박스 유전자는 전형적인 60개의 아미노산 긴 DNA 결합 호메오도메인을 코드화하거나 63개의 아미노산으로 이루어진 비정형 호메오도메인을 코드화한다.보존된 인트론-엑슨 구조와 고유한 코도메인 아키텍처에 따라 HD-ZIP I to IV, BEL, KNOX, PHD, DDT, NDX, LD, SAWADEE 및 PINTOX [25]등 14개의 클래스로 분류되었습니다.코드메인의 보존은 TALE과 비TAIL 호메오도메인 [50]단백질에 대한[49] 공통 진핵생물 조상을 제시한다.

인간 호메오박스 유전자

인간의 Hox 유전자는 4개의 염색체 클러스터로 구성됩니다.

이름. 염색체 유전자
HOXA(또는 HOX1) - HOXA@ 7번 염색체 HOXA1, HOXA2, HOXA3, HOXA4, HOXA5, HOXA6, HOXA7, HOXA9, HOXA10, HOXA11, HOXA13
HOXB - HOXB@ 17번 염색체 HOXB1, HOXB2, HOXB3, HOXB4, HOXB5, HOXB6, HOXB7, HOXB8, HOXB9, HOXB13
HOXC - HOXC@ 12번 염색체 HOXC4, HOXC5, HOXC6, HOXC8, HOXC9, HOXC10, HOXC11, HOXC12, HOXC13
HOXD - HOXD@ 2번 염색체 HOXD1, HOXD3, HOXD4, HOXD8, HOXD9, HOXD10, HOXD11, HOXD12, HOXD13

ParaHox 유전자는 네 가지 영역에서 유사하게 발견된다.여기에는 CDX1, CDX2, CDX4, GSX1, GSX2PDX1포함됩니다.Hox와 유사한 것으로 간주되는 다른 유전자에는 EVX1, EVX2, GBX1, GBX2, MEOX1, MNX1이 있다.일부 "MetaHox"로 간주되는 NK-like (NKL) 유전자는 Hox-like 유전자와 함께 큰 ANTP-like [51][52]그룹으로 분류됩니다.

인간에게는 DLX1, DLX2, DLX3, DLX4, DLX5, DLX6의 '원거리 없는 홈박스' 패밀리가 있습니다.DLX 유전자는 신경계와 [53]사지의 발달에 관여한다.그들은 NK 유사 [51]유전자의 하위 집합으로 여겨진다.

"비정형" 호메오도메인에 대한 Human TALE(Three Amino acid loop Extension) 호메오박스 유전자는 60개의 아미노산이 아닌 63개의 아미노산으로 구성됩니다.IRX1, IRX2, IRX3, IRX4, IRX5, IRX6, MEIS1, MEIS2, MEIS3, MKX1, PBX2, PBX3, PBX4, PKNOX1, PK2GIF;

게다가 인간은 다음과 같은 호메오박스 유전자와 단백질을 [51]가지고 있다.

  1. ^ Lmx 1/5, 2/9, 3/4 및 6/8로 그룹화됩니다.
  2. ^ 6 1/2, 3/6, 4/5로 그룹화됩니다.
  3. ^ 문제 있음, 기준
  4. ^ 팍스 유전자.Pax2/5/8, Pax3/7, 및 Pax4/6으로 그룹화 됩니다.
  5. ^ Nk4.
  6. ^ Nk5.

「 」를 참조해 주세요.

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