Einkennisgen og þróun liðfætla og seildýra

1. Einkennisgen og þróun liðfætla og seildýra

2. Einkennisgen • Knippi af einkennisgenum móta líkamsbyggingu og parta dýra. • Mismunandi líkamsmynstur lífvera geta þróast vegna breytinga í fjölda, stjórnun eða virkni genanna • Einkennisgen tvöfölduð snemma í þróun hryggdýra • En breytileiki liðfætla og ferfætlinga vegna mun á stjórnun á tjáningu genanna og þróun samvinnu milli próteina og genum sem þau stjórna.

3. Hvernig þróast líkamsbygging og líkamshlutar? • Erfðir mismunandi líkamsbyggingar • Breytileiki í útliti dýra er þróunarleg afleiðing genamuns milli lífvera • Þarf að skýra hversu mikill og hvernig munurinn er sem liggur að baki breytilegri líkamsbyggingu

4. Rannsóknir á áhrifum nýrra gena • Byrjunarrannsóknir: tvö líkleg kerfi sem liggja að baki uppruna nýrra eiginleika. • Ohno- hlutverk genatvöföldunar(duplication) og mun í þróun • Wilson+Jacob- stjórnunarbreytingar í genatjáningu • Til að geta ákveðið hvernig ný gen hafa áhrif á þróun byggingar þá er nauðsynlegt að vita hvaða gen stjórna byggingunni.

5. Hox gen • Nánast öll dýr deila sérstökum fjölskyldum gena => Einkennisgenin (Homeotic genin) - Hox gen • Hox genin eru mikilvæg í að ákvarða líkamsmynstur

6. Greinin fjallar um... • Hox gena skipulag og virkni í þróun • Nýleg dæmi þar sem Hox gen hafa áhrif á mun á byggingu liðfætla og seildýra • Munurinn á liðfætlum, skordýrum og hryggdýrum hefur aðallega risið vegna þróunar á stjórnun, en líka vegna tvöföldun Hox knippa.

7. Homeotic gen í þroskun • Rannsóknir áður bundnar við Drosophilu melongaster þar voru Hox gen þekkt fyrir að stjórna einstöku útliti mismunandi líkamshluta meðfram framaftur ásum • Nú hafa Hox fundist í fjölda lífvera

8. 3 eiginleikar sem sameina Hox gen æðri lífvera • Skipulag í genakomplexum • Tjáning í stökum svæðum í sömu skyldu röðinni meðfram bakaftur ás • Hafa 180 basapara röð (homebox) sem kóðar DNA-bindi motif (homedomain)

9. Röðun og tjáning Hox gena í Drosophila Genin sitja álitningnum í sömu röðog þau eru tjáð eftirfram/aftur öxli. Genin sitja í tveimur genagengjum á 3. litningi * *

10. Þróun Hox-genagengja • Hryggdýr eru með 4 þyrpingar Hox gena. • Hox gen í hryggdýrum sem líkjast Abd-B í skodýrum eru í mörgum eintökum í hverri genaröð.

11. Virkni Hox gena • Hox gen verka til aðgreiningar á staðsetningum í dýrum en ekki til tilgreiningar á sérstökum hlutum þeirra. • Sama genið getur stjórnað formi mismunandi svæða líkamans innan einnar tegundar. • Sama genið getur stýrt samsvarandi svæðum á mismunandi vegu á milli tegunda.

12. Stýring með Hox genum • Hox gen • stýra umritun fjölda gena • hafa litla sérhæfni á bindistaði • hafa möguleika á auknum stýrileiðum við stökkbreytingar í DNA markröðum.

13. Áhrif Hox gena • Hox gen stýra m.a. genum sem • mynda prótein sem hafa áhrif á umritun • mynda prótein sem er seytt sem boðefni • mynda byggingarprótein • Hox genhafa þannig víðtæk áhrif á fjölda gena sem eru mikilvæg í fósturþroskun.

14. Þróun Hox genanna 6mögulegar leiðir í þróun hox genanna og áhrifa þeirra á formfræðilega þróun • Fjölbreytniaukning í starfsemi einstakra Hox gena • Fjölgun gena af ákveðinni gerð • Fjölgun Hox genakomplexa

15. Þróun Hox genanna • brottfall eins eða fleiri Hox gena í gengi • Breyting á staðsetningu, tímasetningu, og styrk Hox genatjáningar • Breytingar á samskiptum milli hox próteins og virknistaðar þess.

16. Tilgáta Lewis: ný dýr, ný gen? Lewis kom með tilgátu um þróun skordýra og flugna (drosophila). Hún var þríþætt • Þróun “fótabæligena” til að bæla fótamyndun á kviðhluta forföður skordýra, • Þróun vængbæligena sem bældu þroskun seinna vængjaparsins á fjóvænguðum forföður • Stökkbreyting gena til að mynda BX-C (bithorax complex, í Drosophila)

17. Uppgötvun samkassans (homeobox) Uppgötvun samkassans á miðjum 9. áratugnum opnaði nýjar dyr í rannsóknum á þroskun og þróun lífvera, tengdi saman sögu og virkni homeotic gena og lagði grunninn að nýjum uppgövunum. • 1. og önnur tilgáta Lewis reyndust rangar, • í ljós kom að genin sem stjórna formi kvið og bakhluta skordýra voru komin til sögunnar áður en þau greindust frá köngulóm og krabbadýrum, þ.e. þessi gen má einnig finna í þessum flokkum • töluverður fjöldi hox gena í liðormum (annelids) og hryggdýrum (vertebrates) bendir til að þessi gen hafi verið til staðar í sameiginlegum forföður allra þriggja hópanna.

19. Þróun á stjórnun Hox genaog líkamskipulagning liðfætla (arthropoda)

20. Hox genin • Röðun Hox gena hefur varðveist vel í liðfætlum (artrhopoda) • Hox genin stjórna m.a. staðsetningu útlima á liðfætlum • Skordýr, krabbadýr, fjölfætlingar og klóskerar (köngulær) eru meðal tegunda sem falla undir fylkingu liðfætlur

21. En hvernig stendur á því liðfætlur (artrhopoda) séu svona ólíkar þrátt fyrir að vera með sömu Hox genin ? • Aðalmunurinn á lífverum arthropoda er á lögun, fjölda, gerða og staðsetningu útlima, þreifara/fálmara (antenna), klóa o.fl á búk þeirra • Sem stafar af því að genin eru ekki tjáð á sömu stöðum (vegna einkennisgena)  genið er komið með nýtt hlutverk • Einkennisgenins sem ráða þessu eru Hox gen Ubx próteinið,Abd-A prótein og Antp próteinið eru meðal próteina sem ráða tjáningju á þessu • Stjórnun á liðafjölda hefur breyst með tjáningu gena

22. Tjáning Ubx og Abd-A í skordýrum (insect) • Ubx og abd-A bæla niður myndun fóta á aftur búk skordýra • Distal genið (Dll) bælir niður áhrif Ubx og abd-A á frambúk flugunnar og þ.v.myndast útlimir • Myndun vænga er bælt á 1. lið með Scr og á afturbol með Ubx, abd-A og Abd-B ~ þ.v myndast vængir á frambol

23. Tjáning Ubx og Abd-Aí krabbadýrum (crustacea) • Rannsóknir hafa leitt í ljós að Hox próteinin Ubx og abd-A eru tjáð í nær öllum liðum sem hafa útlim í krabbadýrum • Dregnar voru þær ályktanir að það hefði orðið víxlverkun milli Hox gena

24. Tjáning Ubx og abd-Aí fjölfætlum ( myriapoda) og flauelsdýrinu (onychophora) • Ubx og abd-A próteinin eru tjáð á svipaðan hátt • Flauelsdýrið er úr Panarthropoda systurfylking arthropoda • Hox genið er staðsett í öllum lífverum en ræður ekki endilega útlima myndun

25. Tjáning Ubx og abd-A í klóskerum (chelicerates) • Ubx og Abd-A eru tjáð í afturbol köngulóa og hindra þar með myndun útlima • Svipuð tjáning eins og hjá skordýrum

26. Hliðranir sem verða í tjáningarmynstri Ubx og abd-Aí þróunarsögu liðdýra Skordýr Krabbadýr Fjölfætlur Klóskerar Flauelsdýr

27. Breytingar á líkamsskipulagi skordýra

28. Líklega hefur fjölbreytni skordýra þróast frá líkamsskipulagi mótað af sama setti homeotic gena. • Breytingar hafa orðið á fjölda og gerðum útlima sem speglast í útdauðum og núlifandi ættbálkum. • T.d. er byggingu og fjölda útlima lirfa og vængja fullorðinna stjórnað af homeotic genum

29. Fóttotur: Hoxstýrt afturhvarf? • Fóttotur eru útlimir á kvið sem finnast á lirfum ýmsa skordýrategunda. • Fóttotur voru líklega til staðar í forfeðrum skordýra (afturhvarf). • Komið er í veg fyrir myndun kviðútlima í Drosophila með bælingu Ubx og abd-A á Distal-less (DII) genið.

30. Önnur liðdýr en skordýr hafa hinsvegar útlimi á liðum sem tjá bæði Ubx og abd-A. • Bæling DII hlýtur því að hafa þróast hjá skordýrum. • Sú þróun virðist hafa átt sér stað í tveimur stigum. • Bjöllur og engisprettur mynda á fósturstigi pleuropod á A1 þrátt fyrir Ubx. • Í afleiddari ættbálkum sem hafa ekki pleuropod bælir Ubx DII.

31. Þróun hömlunnar distalless gensins og fóttamissir á aftorbol í þróunarsögu skordýra Dll tjáning sýnd með grænum lit, tjáning Ubx með rauðum

32. Uppruni og þróun vængjaðra skordýra • Hvert var hlutverk Hox gena í þessari þýðingarmiklu þróun? Svarið er kemur á óvart: Hox gen áttu ekki aðild að þróun vængja. • Antp genið er ríkjandi á T2 sem bendir til að Antp sé hluti stýrikóða fyrir vængmyndun. Það er hinsvegar rangt þar sem vængmyndun virðist alveg eðlileg þegar Antp genið er fjarlægt. • Þegar vængir þróuðust fyrst birtust þeir á öllum fram- og afturliðum, þessi vöntun á aðgreiningu liða bendir til að engin homeotic gen stjórni vængjamyndun. • Öll nútímaskordýr bera tvö pör vængjum, framvængi á T2 og afturvængi á T3.

33. Takmörkun vængja á T2 og T3 bendir til að Hox gen hafi mótað þróun fjölda mynstur vængja • Í Drosophila eruvængir bældir á T1 af Scr og á kvið með Ubx, abd-A og abd-B. • Ubx genið bælir gen fyrir stærð og lag vængja og breytir byggingu þroskandi kólfs. • Þróun Hoxprótein bindistaða á cis-stýri-svæðum gena sem þarf fyrir vængmyndun getur útskýrt bælingu vængmyndunar við þróun pterygota.

34. Þróun vængjafjölda hjá skordýrum og tjáningar- mynstur Hox gena Bókstafir og litirtákna tjáningu gena: S = Scr A = Antp U = Ubx AA = abd-A B = abd-B

35. Þróun forms samsvarandi bygginga milli tegunda • Mismunandi Hox gen stýra formum samsvarandi bygginga innan tegundar en hvað með samsvarandi byggingar milli tegunda. • Afturvængir flugna, bjallna og fiðrilda eru aðgreindir ekki aðeins frá samsvarandi framvængjum en líka frá hvort öðrum. • Ubx genið stýrir aðgreiningu afturvængs-ins frá framvænginum.

36. Breytilegir vængir meðal skordýra Drekaflugur Himnuvængir Bjöllur Himnuvængir ogskjaldvængir Fiðrildi Hreisturvængir

37. Mismunur milli afturvængja er vegna mismunar í hinum breiða sviði af markgenum sem stjórnað er af Ubx. • Þannig að samsvarandi afturvængir mismunandi tegunda hafa orðið mismunandi að minnsta kosti að hluta til við breytingar á Ubx bindistöðum í cis-stýriröðum markgena.

38. Þróun breytilegra afturvængja meðal skordýra Það má leiða líkum að því að mis-munandi gerðir afturvængja hjá tví-vængjum, bjöllum og fiðrildumbyggist á breytingum á markgenumUbx-umritunarþáttarins.

39. Umorðun Lewis kenningarinnar • Hox gen mynda ekki leiðbeiningarkóða sem segir “búa til væng” eða búa til fót”. • Frekar eru þau að breyta þroskunar-forritum þannig að það sem að öllu jöfnu yrði vængur yrði að kólfi eða það sem yrði fálmari verður fótur. • Það sem hefur verið að þróast í skordýra og flugnaþróun eru ekki ný gen heldur nýjar stýrivíxverkanir milli BX-C próteina og gena sem taka þátt í útlimamyndun og formþorskun vængja.

40. Fremri mörk Hox-genatjáningar mismunandi hryggjarliða (h) og frumliðum (f) hjá hryggdýrum Mús Hæna Gæs Kyrki- slanga h s C = hálsliðirT = brjóstliðirL = lendarliðirS = spjaldliðirCo = rófuliðir

41. Uppruni ferfætlinga

42. Uppruni útlima • Afturlimir þróuðust út frá kviðuggum fiska (pelvic fins) • Framlimir þróuðust út frá eyruggum fiska (pectoral fins)

43. Fram- og afturlimir ferfætlinga mjög svipaðir þrátt fyrir mismunandi uppruna • Ástæðan sennilega stórfelldar breytingar í tjáningu Hox gena

44. Hox gen • Eru tjáð í: • miðlaginu við hlið útlimanna • limaútskotum sem eru að myndast • Mismunandi Hox C gen eru tjáð í fram- og afturlimum • Röng tjáning Hox A og D genaþyrpinganna í eyruggum líkleg skýring á því hve fram- og afturlimirnir eru líkir

45. Snákar • Hafa misst: • Útlimi • Eyru • Eru hugsanlega með færri Hox gen en önnur hryggdýr • Gætu hugsanlega útskýrt takmarkanir Hox klasa

46. Hox gen gætu hugsanlega varðveitt staðsetningu útlima • Kyrkislöngur eru með útlimsanga • Ólíklegt að þróunin gangi til baka

47. Limulus polyphemusSkeifukrabbi • Er með allt að 4 Hox genaklasa auk viðbótar Hox gena sem finnast í hryggdýrum • Litlar breytingar í líkamsgerð í tímans rás • Nýtir sér hugsanleg ekki Hox genin

48. Frumbernska stýri-þróunar The primacy of regulatory evolution

49. Rannsóknir benda til þess að erfðaefni frumstæðra liðfætla og hryggdýra hafi haft einn klasa Hox-gena sem innihaldið hafi hið fjöldbreytta safn kennigena sem finnst í núlifandi afkomendum þeirra.