GENI HOX
Solo in questi ultimissimi anni le indagini filogenetiche molecolari hanno
avuto come oggetto i geni Hox.
Questi ultimi, presenti in tutti i
Metazoi,
nei
Bilateri
sono
costituiti da un complesso di geni
associati in tre gruppi: anteriore,
centrale e posteriore (Balavoine et
al., 2002).
I geni Hox, detti anche geni per lo
sviluppo,
promuovono la loro
attività nel tempo e nello spazio,
attraverso
un
controllo
sulla
formazione dello schema corporeo
dell’animale e di tutti i suoi
elementi strutturali.
Mutazioni dei
geni Hox causano la trasformazione dell’identità
segmentale, ovvero della posizione delle cellule sugli assi anteroposteriore e dorso-ventrale, con la conseguenza che la struttura
corrispondente del corpo si genera, ma in posizione anomala.
Per esempio, in Drosophila il gene Hox Antennipedia, che contribuisce
a stimolare lo sviluppo delle zampe, è attivo normalmente nel torace.
Se questo gene viene attivato
da una mutazione nel capo di
una
larva,
l’adulto
avrà
zampe
al
posto
delle
antenne.
Se il gene per lo sviluppo
dell’occhio viene attivato nelle
zampe, l’insetto avrà gli occhi
sulle zampe.
Geni Hox
Geni che regolano l’identità delle regioni corporee.
L’ordine di questi geni corrisponde all’ordine dei segmenti che essi
influenzano: esiste cioè una colinearità, ovvero una stretta correlazione
tra l’ordine dei geni lungo il cromosoma e la loro espressione lungo l’asse
antero-posteriore del corpo.
Ad esempio l’espressione
combinata dei geni Hox del
gruppo anteriore e l’interazione
con il tessuto di origine
embrionale sono responsabili
dello sviluppo della testa.
Notare che i geni Hox dei
tetrapodi sono associati in 4
complessi (tetraploidizzazione).
Ogni complesso è localizzato su
un cromosoma distinto e il loro
ordine obbedisce alle regole
della colinearità come in
Drosophila.
Il fascino dei geni Hox deriva dal fatto che essi sono estremamente
simili dal lievito all’uomo.
La similarità risiede in un segmento di 180 bp, definito omeobox, che
codifica per un dominio proteico (omeodominio) di 60 aminoacidi,
altamente conservato nelle proteine.
Attraverso l’omeodominio le proteine si legano a determinate regioni del
DNA, attivando precise batterie di geni, che specificano le proprietà di
ogni segmento del corpo.
Le similarità tra le sequenze omeobox di anfibio, topo, uomo e
Drosophila è sorprendente considerando l’enorme distanza evolutiva tra
questi animali.
Ben 59 aminoacidi su 60 sono in comune tra gli omeodomini più simili!
Questa straordinaria somiglianza e la stretta associazione genetica ha
suggerito che essi si possano essere evoluti attraverso una duplicazione
di uno o più geni Hox ancestrali (i geni originati per duplicazione
formano una famiglia genica = stessa origine evolutiva).
omeobox
sequenza molto complessa
altamente conservata
geni Hox allineati nello stesso ordine su
cromosomi di specie filogeneticamente lontane
Improbabile convergenza evolutiva!!!
Tutto ciò sostiene con forza l’ipotesi che tutti i geni Hox
possiedano una comune origine evolutiva.
E
C
D
Y
S
O
Z
O
A
L
O
P
H
O
T
R
O
C
O
Z
O
A
Distribuzione dei geni Hox nei Bilateri (da Balavoine et al., 2002)
Gli Cnidari possiedono un complesso Hox costituito da due soli geni,
mentre il comune corredo dei Bilateri ne conta almeno sei.
Probabilmente, a un certo punto, vicino all’origine dei Bilateri, il numero
di Hox aumentò di circa 4 unità.
Successivamente nei Deuterostomi il complesso continuò ad easpandersi
creando nuovi geni.
Infine, durante la fase iniziale dell’evoluzione dei Vertebrati, l’intero
complesso si è duplicato creando così quattro complessi Hox nei
Tetrapodi (tetraploidizzazione).
Nella linea degli Ecdysozoa la duplicazione genica e/o la divergenza
della sequenza con fissazione ha dato origine a geni Hox peculiari
Ultrabithorax (Ubx) e Abdominal-B (Abd-B).
Con lo stesso meccanismo i Lophotrochozoa sono caratterizzati da Lox5,
Lox2, Lox4, Post1 e Post2.
Si può notare come, studiando la distribuzione di questa famiglia genica
nei diversi phyla, sia stato possibile individuare le sinapomorfie geniche
ed anche le tre principali linee evolutive (Deuterostomi, Ecdysozoa e
Lophotrocozoa).
Ad oggi gli Hox sostengono fortemente la suddivisione dei Protostomi
nei due cladi dei Lophotrocozoa e degli Ecdysozoa