Unha homeobox ou caixa homeótica é unha secuencia de ADN, de arredor de 180 pares de bases de longo, que se encontra dentro de certos xenes que están implicados na regulación dos padróns de desenvolvemento anatómico (morfoxénese) en animais, fungos e plantas. Estes xenes con homeobox codifican produtos proteicos homeodominio (ou proteínas homeodominio) que son factores de transcrición que comparten un característico pregamento proteico estrutural que serve para unirse ao ADN, chamado pregamento homeodominio.
Descubrimento As homeoboxes foron descubertas independentemente en 1983 por Ernst Hafen, Michael Levine, e William McGinnis, que traballaban no laboratorio de Walter Jakob Gehring na Universidade de Basilea en Suíza; e por Matthew P. Scott e Amy Weiner, que traballaban con Thomas Kaufman na Universidade de Indiana. A existencia de homeoboxes descubriuse primeiramente en Drosophila, onde as alteracións radicais producidas como resultado de mutacións nos xenes homeobox foron denominadas mutacións homeóticas. Unha das máis famosas desas mutacións é Antennapedia, na cal crecen patas na cabeza da mosca no sitio onde debía haber antenas.
Proteínas homeodominio Unha homeobox ten unha lonxitude duns 180 pares de bases e codifica un dominio proteico que se une ao ADN. A seguinte secuencia mostra o homeodominio consenso (~60 residuos de aminoácidos), con sitios de inserción típicos indicados con trazos:
RRRKRTA-YTRYQLLE-LEKEFLF-NRYLTRRRRIELAHSL-NLTERHIKIWFQN-RRMK-WKKEN
Estrutura
O pregamento proteico homeodominio característico consta dunha estrutura de tipo hélice-xiro-hélice de 60 aminoácidos, na cal hai tres hélices alfa conectadas por curtas rexións en bucle. As dúas hélices N-terminais son antiparalelas e a hélice C-terminal máis longa é case perpendicular aos eixes establecidos polas dúas primeiras. Esta terceira hélice é a que interacciona directamente co ADN por medio de varios enlaces de hidróxeno e interaccións hidrofóbicas, que se producen entre cadeas laterais específicas e as bases expostas e os grupos metilo das timinas no suco maior do ADN.
As proteínas homeodominio encóntranse exclusivamente en eucariotas pero teñen unha alta homoloxía con proteínas do fago lambda que alteran a expresión de xenes en procariotas. O motivo é moi similar en secuencia e estrutura nunha ampla variedade de proteínas que se unen ao ADN (por exemplo, cro e proteínas represoras, proteínas homeóticas etc.). Unha das principais diferenzas entre os motivos hélice-xiro-hélice nestas proteínas é o requirimento estereoquímico de glicina na zona do xiro, que cómpre para evitar a interferencia estérica do carbono beta coa cadea principal: para cro e proteínas represoras a presenza de glicina parece ser obrigatoria, mentres que para moitas das proteínas homeóticas e outras proteínas que se unen ao ADN este requirimento non é tan estrito.
Especificidade de secuencia
Os homeodominios poden unirse tanto especificamente coma non especificamente ao ADN B de modo que a hélice de recoñecemento C-terminal quede aliñada no suco maior do ADN e a "cola" do péptido non estruturada do N-terminal quede aliñada co suco menor. A hélice de recoñecemento e os bucles inter-hélices son ricos en residuos de arxinina e lisina, os cales forman enlaces de hidróxeno co ADN; hai residuos conservados hidrofóbicos no centro da hélice de recoñecemento que axudan a estabilizar o empaquetamento da hélice. As proteínas homeodominio mostran preferencia pola secuencia de ADN 5'-ATTA-3'; pero pode haber unha unión independente de secuencia aínda que con afinidade significativamente menor.
Funcións biolóxicas
Grazas ás propiedades de recoñecemento do ADN do homeodominio, as homeoproteínas crese que regulan a expresión de xenes diana e dirixen a formación de moitas estruturas corporais durante o desenvolvemento embrionario temperán. Moitas proteínas homeodominio inducen a diferenciación celular ao iniciaren as fervenzas de xenes corregulados necesarias para producir os distintos tecidos e órganos. Outras proteínas da familia, como NANOG están implicadas no mantemento da pluripotencia. Os xenes homeobox son esenciais para o establecemento dos eixes do corpo durante a embrioxénese.
Os factores de transcrición homeobox tipicamente activan fervenzas doutros xenes. O homeodominio únese ao ADN dunha maneira específica de secuencia. Porén, a especificidade dunha soa proteína homeodominio xeralmente non é dabondo para recoñecer os seus xenes diana desexados. A maioría das veces, as proteínas homeodominio actúan na rexión promotora dos seus xenes diana formando complexos con outros factores de transcrición. Estes complexos teñen unha especificidade pola súa diana moito maior que unha proteína homeodominio soa. Os homeodominios están codificados tanto por xenes dos clusters de xenes Hox coma por outros xenes situados por todo o xenoma.
O dominio homeobox foi identificado inicialmente en varias proteínas homeóticas e de segmentación de Drosophila, pero sábese que están ben conservados en moitos outros animais, incluíndo os vertebrados.
Xenes Hox Expresión de xenes Hox en Drosophila melanogaster.|miniatura|dereita|400px
Os xenes Hox son esenciais para os metazoos, xa que determinan a identidade das rexións embrionarias ao longo do eixe anteroposterior. O primeiro xene Hox de vertebrado foi atopado no anfibio Xenopus por Eddy De Robertis e colegas en 1984, o que supuxo o comezo da nova ciencia da bioloxía evolutiva do desenvolvemento ("evo-devo").
En vertebrados, os catro agrupamentos ou clusters parálogos son parcialmente redundantes na súa función, pero tamén adquiriron varias funcións derivadas. En particular, HoxA e HoxD especifican a identidade de segmentos corporais ao longo do eixe das extremidades.Nelson CE, Morgan BA, Burke AC, Laufer E, DiMambro E, Murtaugh LC, Gonzales E, Tessarollo L, Parada LF, Tabin C. Analysis of Hox gene expression in the chick limb bud. Development. Maio de 1996;122(5):1449-66. PMID 8625833.McGinnis W.; R. Krumlauf (1992). "Homeobox genes and axial patterning". Cell 68 (2): 283–302. doi:10.1016/0092-8674(92)90471-N. PMID 1346368.
O principal interese neste conxunto de xenes débese ao seu comportamento único. Atópanse tipicamente nun cluster organizado. A orde linear dos xenes no cluster esta correlacionada directamente coa orde das rexións ás que afectan e co momento no cal son afectadas. Este fenómeno denomínase colinearidade. Debido a esta relación linear, os cambios no cluster de xenes debidos a mutacións orixinan xeralmente cambios similares nas rexións afectadas.Carroll S. B. (1995). "Homeotic genes and the evolution of arthropods and chordates". Nature 376 (6540): 479–85. doi:10.1038/376479a0. PMID 7637779. Por exemplo, cando se perde un xene, o segmento corporal desenvólvese orixinando outro máis anterior, mentres que unha mutación que cause unha ganancia de función fai que o segmento se desenvolva dando outro máis posterior. Isto denomínase ectopía. Exemplos famosos son Antennapedia e BithoraxMcGinnis, W.; Levine, M. S.; Hafen, E.; Kuroiwa, A.; Gehring, W. J. (1984). "A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the Drosophila Antennapedia and bithorax complexes". Nature 308 (5958): 428–33. doi:10.1038/308428a0. PMID 6323992. en Drosophila, que poden causar o desenvolvemento de patas en vez de antenas na cabeza, e o desenvolvemento dun tórax duplicado, respectivamente.
As evidencias moleculares mostran que existiu un número limitado de xenes Hox xa nos Cnidaria desde antes da aparición dos verdadeiros animais Bilaterais, o que fai que estes xenes sexan pre-paleozoicos. Os xenes homeobox atopáronse tamén en fungos, por exemplo en lévedos, e en plantas e algúns protistas.Timothy R. Hughes. A Handbook of Transcription Factors. Páxina 115. Google books
Plantas Os xenes homeóticos en plantas codifican o típico homeodominio para a unión ao ADN de 60 aminoácidos ou no caso do xenes homeobox TALE (extensión en bucle de tres aminoácidos, do inglés three amino acid loop extension) codifican un homeodominio atípico de 63 aminoácidos. Segundo a súa estrutura de intróns-exóns conservada e as súas arquitecturas codominio únicas foron agrupados en 14 clases, que son: HD-ZIP I ao IV, BEL, KNOX, PLINC, WOX, PHD, DDT, NDX, LD, SAWADEE e PINTOX. A conservación de codominios suxire un devanceiro eucariótico común para as proteínas homeodominio TALE e non TALE.
Xenes Hox humanos Os humanos conteñen xeralmente xenes Hox en catro agrupamentos ou clusters:
nome cromosoma xeneHOXA (ou ás veces HOX1) - cromosoma 7 HOXA1, HOXA2, HOXA3, HOXA4, HOXA5, HOXA6, HOXA7, HOXA9, HOXA10, HOXA11, HOXA13HOXB - cromosoma 17 HOXB1, HOXB2, HOXB3, HOXB4, HOXB5, HOXB6, HOXB7, HOXB8, HOXB9, HOXB13HOXC - cromosoma 12 HOXC4, HOXC5, HOXC6, HOXC8, HOXC9, HOXC10, HOXC11, HOXC12, HOXC13HOXD - cromosoma 2 HOXD1, HOXD3, HOXD4, HOXD8, HOXD9, HOXD10, HOXD11, HOXD12, HOXD13
Hai tamén unha familia "distal-less homeobox": DLX1, DLX2, DLX3, DLX4, DLX5, e DLX6. Os xenes Dlx están implicados no desenvolvemento do sistema nervioso e das extremidades. Outros exemplos son o HESX homeobox 1 (HESX1) e o xene homeobox de estatura curta (SHOX).
Outras proteínas humanas que conteñen este dominio na anotación de UniProt son: ADNP; ALX3; ALX4; ARGFX; ARX; NKX3-2 (BAPX1); BARHL1; BARHL2; BARX1; BARX2; ALX1 (CART1); CDX1; CDX2; CDX4; CRX; CUTL1; CUTL2; DBX1; DBX2; DLX1; DLX2; DLX3; DLX4; DLX5; DLX6; DMBX1; DPRX; DRGX; DUX1; DUX2; DUX3; DUX4; DUX4c; DUX5; DUXA; EMX1; EMX2; EN1; EN2; ESX1L; EVX1; EVX2; GBX1; GBX2; GSC; GSC2; GSX1; GSX2; HDX; HESX1; HHEX; HLX1; HMBOX1; HMX1; HMX2; HMX3; HNF1A; HNF1B; HOMEZ; HOPX IRX1; IRX2; IRX3; IRX4; IRX5; IRX6; ISL1; ISL2; ISX LASS2; LASS3; LASS4; LASS5; LASS6; LBX1; LBX2; LHX1; LHX2; LHX3; LHX4; LHX5; LHX6; LHX8; LHX9; LMX1A; LMX1B MEIS1; MEIS2; MEIS3; MEOX1; MEOX2; MIXL1; MKX; MNX1; MSX1; MSX2 NANOG; NANOGP1; NANOGP8; NKX2-1; NKX2-2; NKX2-3; NKX2-4; NKX2-5; NKX2-8; NKX3-1; NKX3-2; NKX6-1; NKX6-2; NKX6-3; NOBOX; NOTO ONECUT1; ONECUT2; ONECUT3; OTP; OTX1; OTX2 PAX3; PAX4; PAX6; PAX7; PBX1; PBX2; PBX3; PBX4; PDX1; PHOX2A; PHOX2B; PITX1; PITX2; PITX3; PKNOX1; PKNOX2; POU1F1; POU2F1; POU2F2; POU2F3; POU3F1; POU3F2; POU3F3; POU3F4; POU4F1; POU4F2; POU4F3; POU5F1; POU5F1P1; POU5F1P4; POU5F2; POU6F1; POU6F2; PROP1; PRRX1; PRRX2 RAX; RAX2; RHOXF1; RHOXF2 SATB1; SATB2; SEBOX; SHOX; SHOX2; SIX1; SIX2; SIX3; SIX4; SIX5; SIX6 TGIF1; TGIF2; TGIF2LX; TGIF2LY; TLX1; TLX2; TLX3; TSHZ1; TSHZ2; TSHZ3 UNCX; VAX1; VAX2; VENTX; VSX1; VSX2 ZEB1; ZEB2; ZFHX2; ZFHX3; ZFHX4; ZHX1
Mutación As mutacións nos xenes homeobox poden producir facilmente cambios fenotípicos visibles.
Dous exemplos de mutacións homeobox nas moscas do vinagre son a aparición de patas no lugar onde tiña que haber antenas ou a formación dun segundo par de ás.
A duplicación dos xenes homeobox pode producir novos segmentos corporais, e ditas duplicacións probablemente foron importantes na evolución dos animais segmentados. Porén, os xenes Hox tipicamente determinan a identidade dos segmentos corporais.
Un dato interesante é que na familia de insectos Xyelidae tanto as antenas coma as pezas bucais son estruturas similares a patas. Isto non é raro en artrópodos, xa que todos os apéndices dos artrópodos son homólogos.
Regulación A regulación de xenes Hox é moi complexa e implica interaccións recíprocas, principalmente inhibitorias. Drosophila utiliza os complexos Polycomb e Trithorax para manter a expresión dos xenes Hox despois de regular á baixa os xenes da regra par e gap durante o desenvolvemento larval. As proteínas do grupo Polycomb poden silenciar os xenes Hox ao modular a estrutura da cromatina.
Proteínas POU