Informacije

13.14: Hox geni - Biologija

13.14: Hox geni - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Od ranog devetnaestog vijeka, naučnici su primijetili da mnoge životinje, od vrlo jednostavnih do složenih, dijele sličnu embrionalnu morfologiju i razvoj. Pitali su se šta je diktiralo razvojni pravac kojim će krenuti muva, miš, žaba ili ljudski embrion.

Krajem dvadesetog veka otkrivena je posebna klasa gena koji su imali upravo ovaj zadatak. Ovi geni koji određuju životinjsku strukturu nazivaju se "homeotični geni" i sadrže sekvence DNK koje se nazivaju homeoboxes. Životinjski geni koji sadrže homeobox sekvence se posebno nazivaju Hox geni. Ova porodica gena je odgovorna za određivanje općeg plana tijela, kao što je broj segmenata tijela životinje, broj i smještaj dodataka i usmjerenost glave i repa životinje. Prvi Hox geni za sekvencioniranje su oni iz voćne mušice (Drosophila melanogaster). Samac Hox mutacija voćne mušice može rezultirati dodatnim parom krila ili čak dodacima koji rastu iz "pogrešnog" dijela tijela.

Iako postoji veliki broj gena koji igraju ulogu u morfološkom razvoju životinje, ono što čini Hox geni su toliko moćni da služe kao glavni kontrolni geni koji mogu uključiti ili isključiti veliki broj drugih gena. Hox geni to rade kodiranjem faktora transkripcije koji kontroliraju ekspresiju brojnih drugih gena. Hox geni su homologni u životinjskom carstvu, odnosno genetske sekvence Hox geni i njihov položaj na hromozomima su izuzetno slični kod većine životinja zbog njihovog prisustva kod zajedničkog pretka, od crva do muva, miševa i ljudi (slika 1).

Hox geni su visoko konzervirani geni koji kodiraju faktore transkripcije koji određuju tijek embrionalnog razvoja kod životinja. Kod kralježnjaka, geni su duplicirani u četiri klastera: Hox-A, Hox-B, Hox-C, i Hox-D. Geni unutar ovih klastera su izraženi u određenim segmentima tijela u određenim fazama razvoja.

Jedan od doprinosa povećanju složenosti životinjskog tijela je to Hox geni su prošli najmanje dva događaja duplikacije tijekom evolucije životinja, pri čemu dodatni geni omogućuju razvoj složenijih tipova tijela.

Praktično pitanje

Ako a Hox 13 gen kod miša zamijenjen je a Hox 1 gen, kako bi to moglo promijeniti razvoj životinja?

[redovi područja za vježbanje = ”2 ″] [/prostor za vježbanje]
[reveal-answer q=”319959″]Prikaži odgovor[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”319959″]Životinja može razviti dvije glave i bez repa.[/hidden-answer]


Ekspresija Hox gena tokom razvoja foronida Phoronopsis harmeri

Pozadina: Phoronida je mala grupa suspenzijskih hranilica nalik morskim crvima, koji zajedno s brahiopodima i briozoama čine kladu Lophophorata. Iako je njihov razvoj dobro proučen na morfološkom nivou, podaci o ekspresiji gena tokom ovog procesa su oskudni i ograničeni na analizu relativno malog broja transkripcionih faktora. Ovdje predstavljamo opis obrazaca ekspresije Hox gena tokom embrionalnog i larvalnog razvoja foronida. Phoronopsis harmeri.

Rezultati: Identifikovali smo sekvence osam Hox gena u transkriptomu Ph. harmeri i odredili njihov obrazac ekspresije tokom embrionalnog i larvalnog razvoja koristeći in situ hibridizaciju cijelog mounta. Otkrili smo da nijedan od Hox gena nije eksprimiran tokom embrionalnog razvoja. Umjesto toga, njihova ekspresija započinje u kasnijim razvojnim fazama, kada je tijelo larve već formirano. U istraživanim početnim stadijumima larve Hox geni se eksprimiraju nekolinearno u stražnjem dijelu tijela larve: u telotrohu i strukturama koje predstavljaju rudimente odraslog crva. Dodatno, otkrili smo da su određeni transkripcijski faktori specifični za glavu izraženi u oralnoj kapuljači, apikalnom organu, preoralnom celimu, probavnom sistemu i pipcima larve u razvoju, ispred teritorija koje eksprimiraju Hox.

Zaključci: Nedostatak ekspresije Hox gena tokom ranog razvoja Ph. harmeri ukazuje na to da se tijelo larve razvija bez informacija o položaju iz Hox sistema uzorkovanja. Takav fenomen može biti posljedica evolucijske interkalacije oblika larve u životni ciklus predaka foronida. Uočena ekspresija Hox gena također može biti posljedica aktinotrohe koja predstavlja "ličinku glave", koja se sastoji od najprednje regije tijela koja je lišena ekspresije Hox gena. Takvo tumačenje je dalje podržano ekspresijom faktora transkripcije specifičnih za glavu. Ovo implicira da se Hox sistem uzorkovanja koristi za informacije o položaju rudimenata trupa i stoga se odlaže na kasnije faze larve. Predlažemo da je nova tjelesna forma bila interkalirana u životnom ciklusu foronida preranim razvojem prednjih struktura ili odgođenim razvojem rudimenta trupa u larvi foronida predaka.

Ključne riječi: Dvofazni životni ciklus Plan tijela Mozak Glava Indirektni razvoj Interkalacija Evolucija povijesti života Lophophorata Lox2 Spiralia.

Izjava o sukobu interesa

Konkurentni interesi Autori izjavljuju da nemaju suprotstavljenih interesa.


Opcije pristupa

Dobijte puni pristup časopisu za 1 godinu

Sve cijene su NETO cijene.
PDV će biti dodat kasnije na blagajni.
Obračun poreza bit će finaliziran prilikom plaćanja.

Dobijte vremenski ograničen ili potpun pristup članku na ReadCube-u.

Sve cijene su NETO cijene.


Reference

Runnegar, B. & Pojeta, J. J. Filogenija mekušaca: paleontološko gledište. Nauka 186, 311–317 (1974)

Kuća, M. R. u Glavonošci – sadašnjost i prošlost (ur. Wiedmann, J. & Kullmann, J.) 1–16 (Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 1988.)

Lowe, C. J. & Wray, G. A. Radikalne promjene u ulozi homeobox gena tokom evolucije bodljokožaca. Priroda 389, 718–722 (1997)

Keys, D. N. et al. Zapošljavanje a jež regulacijski krug u evoluciji očnih pjega leptira. Nauka 283, 532–534 (1999)

Carroll, S. B., Grenier, J. K. & Weatherbee, S. D. Od DNK do raznolikosti: molekularna genetika i evolucija dizajna životinja (Blackwell Science, Malden, 2001.)

Telford, M. J. Dokazi za izvođenje Drosophila fushi tarazu gen iz Hox gena ortolognog lofotrohozoa. Lox5. Curr. Biol. 10, 349–352 (2000)

Godwin, A. R. & Capecchi, M. R. Hoxc13 mutantnim miševima nedostaje spoljna dlaka. Genes Dev. 12, 11–20 (1998)

Callaerts, P. et al. HOX geni u sepiolidnoj lignji Euprymna scolopes: implikacije za evoluciju složenih tjelesnih planova. Proc. Natl Acad. Sci. SAD 99, 2088–2093 (2002)

Brusca, R. C. & Brusca, G. J. Beskičmenjaci (Masachusetts, Sinauer, Sanderland, 2003.)

Boletzky, S. v. in Glavonošci—sadašnjost i prošlost (ur. Wiedmann, J. K., J.)) 167–179 (Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 1988.)

Budelmann, B. U. in Nervni sistemi beskičmenjaka: evolucijski i komparativni pristup (ur. Breidbach, O. & Kutsch, W.) 115–138 (Birkhauser, Basel, 1995.)

Hinman, V. F., O'Brien, E. K., Richards, G. & Degnan, B. M. Ekspresija prednjeg Hox gena tokom razvoja larve gastropoda Haliotis asinina. Evol. Dev. (u štampi)

Shigeno, S., Kidokoro, H., Tsuchiya, K., Segawa, S. & Yamamoto, M. Razvoj mozga u egopsid lignji, Todarodes pacificus: atlas do faze valjenja. Zool. Sci. 18, 527–541 (2001)

Shigeno, S., Tsuchiya, K. & Segawa, S. Embrionalni i paralarvalni razvoj centralnog nervnog sistema lignje loliginid Sepioteuthis lessoniana. J. Comp. Neurol. 437, 449–475 (2001)

Hartmann, B. et al. Pax6 u sepiolidnoj lignji, Euprymna scolopes: dokaz o ulozi u razvoju oka, osjetilnih organa i mozga. Mech. Dev. 120, 177–183 (2003)

Boletzky, S. v. McGraw-Hill Godišnjak nauke i tehnologije 73–76 (McGraw-Hill, New York, 1994.)

Young, J. Z. Organizacija ganglija glavonožaca. Phil. Trans. R. Soc. London. B 263, 409–429 (1972)

Boletzky, S. v., Frösch, D. & Mangold, K. Développement de vésicules associées au complexe brachial chez les Céphalopodes. C.R. Acad. Sci. (Pariz) D 270, 2182–2184 (1970)

Sundermann, G. Razvoj i stanje izleganja ektodermalnih mjehurića-organa u glavi Sepia officinalis, Loligo vulgaris, i Loligo forbesi (Cephalopoda, Decabrachia). Zoomorfologija 109, 343–352 (1990)

McFall-Ngai, M. & Montgomery, M. Anatomija i morfologija svjetlosnog organa odrasle bakterije Euprymna scolopes Bobice (Cephalopoda: Sepiolidae). Biol. Bik. 179, 332–339 (1990)

Nogi, T. & Watanabe, K. Poziciono-specifična i nekolinearna ekspresija planarnog posteriornog (Abdominal-B-like) gena. Dev. Growth Diff. 43, 177–184 (2001)

Kulakova, M. A., Kostjučenko, R. P., Andreeva, T. F. i Dondua, A. K. The Abdominalni-B-slično ekspresiji gena tokom razvoja larve Nereis virens (polychaeta). Mech. Dev. 115, 177–179 (2002)

Zákány, J. & Duboule, D. Hox geni u razvoju i evoluciji prstiju. Cell Tissue Res. 296, 19–25 (1998)

Averof, M. & Patel, N. H. Evolucija privjesaka rakova povezana s promjenama u Hox ekspresija gena. Priroda 388, 682–686 (1997)

Burke, A. C., Nelson, C. E., Morgan, B. A. i Tabin, C. Hox geni i evolucija aksijalne morfologije kralježnjaka. Razvoj 121, 333–346 (1995)

Moshel, S. M., Levine, M. & Collier, J. R. Shell diferencijacija i ingrailed izraz u Ilyanassa embrion. Dev. Genes Evol. 208, 135–141 (1998)

Nederbragt, A. J., van Loon, A. E. & Dictus, W. J. A. G. Izražavanje Patella vulgata ortologa ingrailed i dpp-BMP2/4 u susjednim domenima tokom razvoja školjke mekušaca sugerira očuvan mehanizam granice odjeljka. Dev. Biol. 246, 341–355 (2002)

Wanninger, A. & Haszprunar, G. Izraz an ingrailed protein tokom formiranja embrionalne ljuske u ljusci kljove, Antalis entalis (Mollusca, Scaphopoda). Evol. Dev. 3, 312–321 (2001)

Seaver, E. C., Paulson, D., Irvine, S. Q. & Martindale, M. Q. Prostorni i vremenski izraz Ch-en, the ingrailed gen u poliheti Chaetopterus, ne podržava ulogu u segmentaciji osovine tijela. Dev. Biol. 236, 195–209 (2001)

Holland, C. H. Nautiloidni glavonošci: čudan uspjeh. J. Geol. Soc. London. 144, 1–15 (1987)


Rezultati

Prekomjerna ekspresija Hoxb9 u ćelijama kore nadbubrežne žlijezde

HOX geni su uključeni u inicijaciju i napredovanje mnogih karcinoma. 11 Naše i druge studije su to pokazale Hoxb9 je izražen u ranim fazama razvoja kore nadbubrežne žlijezde. 14,33 Istražiti ako HOXB9 ekspresija je povezana sa ACC, analizirali smo podatke o ekspresiji gena pacijenata iz Cochin kohorte koja sadrži uzorke normalne nadbubrežne žlezde (NAd), adrenokortikalnog adenoma (ACA) i ACC. 3 U ovom skupu podataka, HOXB9 ekspresija je bila veća u ACC uzorcima, pri čemu je razlika sa ACA bila značajna, ali ne i sa NAd (slika 1a). Konsenzus grupiranje ekspresije mRNA korišteno je za podgrupu pacijenata sa ACC u one koji imaju agresivnu bolest, C1A, i one sa indolentnom bolešću, C1B. I u Cochin skupu podataka i u ACC uzorcima iz Atlasa gena raka (TCGA), HOXB9 ekspresija je bila značajno veća u C1A u poređenju sa C1B (slika 1b). U skladu sa HOXB9 ekspresija koja je povezana sa agresivnom bolešću, analize TCGA i Cochin pacijenata na visoke i niske HOXB9 ekspresija je pokazala da ACC pacijenti sa visokim HOXB9 ekspresija je imala lošiju prognozu preživljavanja (slika 1c). Zajedno ovi podaci sugeriraju da je povišen HOXB9 ekspresija u ACC može igrati ulogu u progresiji tumora u agresivnu bolest.

a HOXB9 ekspresija gena u normalnim ljudskim nadbubrežnim žlezdama (NAd), uzorcima adrenokortikalnog adenoma (ACA) i uzorcima adrenokortikalnog karcinoma (ACC) iz Cochin kohorte. Statistička analiza je jednosmjerni ANOVA Turski test parova, ***P = 0.0004. b HOXB9 ekspresija u ACC uzorcima pacijenata sa agresivnom C1A ili indolentnom bolešću tipa C1B iz TCGA i Cochin kohorti. Statistička analiza je Wilcoxon test, ***P = 0.00053, *P = 0.04. c Kaplan-Meierove krivulje preživljavanja za ACC pacijente iz TCGA i Cochin kohorte koje su imale visok ili nizak nivo HOXB9 izraz. d Šema Sf-1:Hoxb9 transgene konstrukcije korištene za povećanje Hoxb9 ekspresija u nadbubrežnim žlezdama. bGH pA je poliA sekvenca goveđeg hormona rasta. e qRT-PCR od Hoxb9 na nadbubrežne žlijezde divljeg tipa i Hoxb9 t/g. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. f HOXB9 imunohistohemija na dijelovima ženskih divljih i Hoxb9 t/g nadbubrežnih žlijezda. ZG je zona glomerulosa. g Vlažne težine muških i ženskih nadbubrežnih žlijezda divljih i Hoxb9 t/g životinja. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz četiri uzorka. h Boje hematoksilinom i eozinom (H&E) na rezovima divljeg tipa i Hoxb9 t/g nadbubrežnih žlijezda. c je korteks, m je medula. i Ki67 imunohistohemija na rezovima divljeg tipa i Hoxb9 t/g ženskih nadbubrežnih žlijezda. j Trakasti dijagram postotka Ki67-pozitivnih ćelija u divljim i Hoxb9 t/g muškim i ženskim nadbubrežnim žlijezdama. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. k qRT-PCR od Sf-1 na nadbubrežne žlijezde divljeg tipa i Hoxb9 t/g. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. Studenti t test, **P < 0,01, *P & lt 0,05. Hoxb9 t/g ukazuje na Sf-1:Hoxb9 transgen.

Da se ispita efekat visokih nivoa HOXB9 u ćelijama kore nadbubrežne žlijezde, stvorili smo transgene miševe koji nose BAC konstrukt koji je sadržavao Hoxb9 cDNK umetnuta u Sf-1 lokus (Sf-1:Hoxb9 miševi, koji se nazivaju Hoxb9 t/g, slika 1d). Kvantitativna RT-PCR (qRT-PCR) analiza ekspresije pokazala je povećanje od Hoxb9 nivoi u odraslim nadbubrežnim žlezdama transgenih miševa (slika 1e). Ovo je potvrđeno u studijama bojenja antitijela, koje su pokazale proširenu domenu ekspresije HOXB9, odražavajući obrazac Sf-1 pokretanje sekvence promotera Hoxb9 (Slika 1f i Dodatna slika S1A). U normalnoj nadbubrežnoj žlezdi HOXB9 je prvenstveno bio eksprimiran u zona fasciculata (ZF), dok je kod transgenih životinja ekspresija takođe pronađena u ćelijama spoljašnje kortikalne zone glomeruloze (ZG). Ćelije koje eksprimiraju HOXB9 također su pronađene u meduli transgenih žlijezda tromjesečnih ženki miševa koje nisu bile prisutne kod kontrolnih životinja (dopunska slika S1B). Fenotipska analiza nadbubrežne žlijezde transgenih miševa u dobi od 3 i 18 mjeseci nije pokazala očigledne promjene u veličini ili strukturi u poređenju sa nadbubrežnim žlijezdama divljeg tipa (Slika 1g, h, Dodatna slika S1C, D). Bojenje Ki67 nije otkrilo razliku u broju proliferirajućih ćelija između transgenih i divljih životinja (sl. 1i, j i dopunska slika S1E). Zatim smo analizirali ekspresiju poznatog embrionalnog HOX ciljnog gena, Sf-1, markeri funkcije matičnih/progenitornih stanica nadbubrežne žlijezde i WNT signalna meta. U ženskim i muškim nadbubrežnim žlijezdama transgenih miševa, Sf-1 ekspresija je povećana tri puta, dok u ekspresiji nije bilo promjene ššš, Patched (Ptch) ili Axin2 (Slika 1k i Dodatna slika S1F). To sugerira da je povišen Hoxb9 nije u stanju da izazove neoplastični razvoj, ali može potaknuti Sf-1 ekspresija u odrasloj žlezdi. Da se utvrdi da li je zoniranje nadbubrežne žlijezde poremećeno povišenim Hoxb9 ekspresiju, izvršili smo imunohistohemijsko (IHC) bojenje i qRT-PCR analize sa markerima ćelijskog tipa za ZG (Dab2 i Cyp11b2), ZF (Cyp11b1), medulu nadbubrežne žlezde (TH) i X zonu (20α-HSD, naziv gena Akr1c18, i Pik3c2g) na muškim i ženskim nadbubrežnim žlezdama (slika 2). Ovi podaci su pokazali da transgene životinje nisu imale promjene u ZG ili ZF markerima kore nadbubrežne žlijezde (Sl. 2a, b). Umjesto toga, žlijezde tromjesečnih ženki transgenih miševa imale su veću fetalnu X zonu sa Sf-1-pozitivnim stanicama koje su infiltrirane u medulu (sl. 2c, d i S2A). Veća X zona kod transgenih životinja ponašala se kao kod divljeg tipa po tome što je pronađena samo kod prepubertetskih mužjaka (dopunska slika S2B) i regresirala je kod starijih ženki (slika 2c).

a Dab2, Cyp11b2 i Cyp11b1 imunohistohemija na rezovima divljeg tipa i Hoxb9 t/g muških i ženskih nadbubrežnih žlijezda. b qRT-PCR od Cyp11b1 i Cyp11b2 na nadbubrežne žlijezde divljeg tipa i Hoxb9 t/g. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. c Imunohistohemija tirozin hidroksilaze (TH) i 20α-HSD na rezovima divljeg tipa i Hoxb9 t/g ženskih nadbubrežnih žlijezda starih 3 i 12 mjeseci. d qRT-PCR od Akr1c18 i Pik3c2g na ženskim divljim i Hoxb9 t/g nadbubrežnim žlijezdama. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. m je medula, strelice pokazuju pozitivne ćelije. Studenti t test, *P & lt 0,05. Hoxb9 t/g ukazuje na Sf-1:Hoxb9 transgene.

Povišen Hoxb9 sarađuje sa mutantom Ctnnb1 tokom formiranja tumora

Da bismo istražili može li HOXB9 potaknuti formiranje tumora, uzgajali smo Sf-1:Hoxb9 miševe s miševima koji sadrže aktivirajući uslovni Ctnnb1 delecijski alel i konstrukt sa Cre rekombinazom vođen Cyp11a1-regulatorne sekvence (Ctnnb1 mutantni miševi, koji se nazivaju ABC). Očekivano, nadbubrežne žlijezde iz Ctnnb1 mutantni miševi su pokazali formiranje tumora koje karakterizira povećana veličina organa, koja je bila veća kod ženki (slike 1g i 3b). Ovi tumori su imali nedostatak zonske strukture, gubitak medularnih ćelija i visoku ekspresiju ZG markera Dab2 u cijelom tumoru (dopunska slika S3A, B). Šestomjesečni Ctnnb1 mutantni miševi koji su također nosili Sf-1:Hoxb9 transgen (duplo mutantni miševi, nazvani ABC Hoxb9 t/g) pokazali su povećanje veličine nadbubrežne žlijezde, što je bilo ograničeno na muške miševe (Slika 3a, b). Bojenje hematoksilinom i eozinom nije pokazalo očigledne morfološke razlike između Ctnnb1 i dvostruki mutanti (slika 3c). Kao što se i očekivalo, bojenje antitijela za β-katenin i signalni WNT nizvodni marker Lef1 u Ctnnb1 mutanti su pokazali visoku ekspresiju u većini ćelija (slika 3c). Ovaj obrazac bojenja ostao je nepromijenjen kod dvostruko mutantnih tumora koji pokazuju da je povišen Hoxb9 nije imao veći uticaj na ovaj put (slika 3c). Proliferacija, mjerena bojenjem Ki67, bila je veća kod 6-mjesečnih mužjaka miševa s dvostrukim mutiranjem, bez promjena u apoptozi, mjereno bojenjem kaspazom 3 (Slika 3d–g). Nisu uočeni znakovi invazivne bolesti kod dvostrukih mutantnih životinja (slika 3c, strelice). Tumori nadbubrežne žlijezde kod miševa s dvostrukim mutiranjem ispoljili su više razine Hoxb9 mRNA i proteina nego pojedinačni Ctnnb1 mutanti, što potvrđuje ekspresiju transgena (slika 3h, i). Kako su nadbubrežne žlezde Sf-1:Hoxb9 pokazale povećanje Sf-1 ekspresiju, istražili smo nivoe ovog gena u tumorima. qRT-PCR analiza je to pokazala Sf-1 transkript je bio veći i kod ženskih i kod muških dvostruko mutantnih tumora nadbubrežne žlijezde u odnosu na Ctnnb1 mutanti, ali nije bilo razlike u nivoima ekspresije SF-1 proteina između genotipova (dodatna slika S3C, D).

a Slike svijetlog polja muških ABC i ABC Hoxb9 t/g nadbubrežnih žlijezda. b Vlažna težina 6-mjesečne ženke i mužjaka ABC i ABC Hoxb9 t/g nadbubrežne žlijezde. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD za četiri tumora. c H&E, β-katenin i Lef1 imunohistohemija na sekcijama iz ABC i ABC Hoxb9 t/g tumora nadbubrežne žlijezde. Umetak pokazuje veliko povećanje. Strelica označava kapsulu. d Ki67 imunohistohemija na rezovima iz 6-mjesečnih ABC i ABC Hoxb9 t/g tumora nadbubrežne žlijezde. e Trakasti dijagram procenta Ki67-pozitivnih ćelija u ABC i ABC Hoxb9 t/g nadbubrežnih žlezda. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. f Imunohistohemija aktivne kaspaze 3 na rezovima iz ABC i ABC Hoxb9 t/g muških tumora. Strelice označavaju pozitivne ćelije. g Trakasti grafikon procenta Kaspaza 3-pozitivnih ćelija u ABC i ABC Hoxb9 t/g muških nadbubrežnih žlezda. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. h qRT-PCR od Hoxb9 na ABC i ABC Hoxb9 t/g tumore nadbubrežne žlijezde. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. i Western blot analiza Hoxb9 na ABC i ABC Hoxb9 t/g tumora nadbubrežne žlijezde ženki. Prikazane su nadbubrežne žlijezde dvije životinje svakog genotipa. Vinculin se koristi kao kontrola opterećenja. ABC označava Ctnnb1 mutantnih tumora, ABC Hoxb9 t/g ukazuje na dvostruko mutantne tumore. Studenti t test, **P < 0,01, *P & lt 0,05.

Da bismo istražili puteve aktivirane u dvostrukim mutantima, izveli smo RNA-seq na RNA izvedeni iz tumora nadbubrežne žlijezde od 3-mjesečne Ctnnb1 i dvostruko mutantne ženke i mužjake mutantnih miševa. Komparativna analiza identificirala je različito eksprimirane gene u tumorima miševa s dvostrukim mutiranjem u odnosu na Ctnnb1 mutanti, s većim brojem kod muškaraca (533 gena izmijenjena, Benjamini-Hochberg prilagođen P < 0,1) nego u istom poređenju kod žena (66 gena izmijenjeno, Benjamini-Hochberg prilagođen P < 0,1) (slika 4a i dodatne tabele S2-S5). Za oba spola, geni su bili različito regulirani naviše i na niže (muškarci 232 gena gore, 322 gena niže žene 47 gore, 19 gena niže), u skladu sa dokazima koji sugeriraju da HOX proteini mogu djelovati kao aktivatori i represori transkripcije.

a Toplotna mapa top 50 različito eksprimiranih gena identificiranih iz RNA-seq podataka muških ABC Hoxb9 t/g tumora nadbubrežne žlijezde u poređenju sa muškim ABC tumorima nadbubrežne žlijezde. b Poređenje različito eksprimiranih gena kod muških i ženskih ABC Hoxb9 t/g tumora nadbubrežne žlijezde u poređenju sa ABC tumorima nadbubrežne žlijezde. c Poređenje diferencijalno eksprimiranih gena u muškim ABC Hoxb9 t/g tumorima u poređenju sa muškim ABC tumorima sa genima koji su različito eksprimirani u ženskim ABC tumorima u poređenju sa muškim ABC tumorima. d Mreža baze podataka STRING različito eksprimiranih gena u muškim ABC Hoxb9 t/g tumorima u poređenju s muškim ABC tumorima identificira signalizaciju angiotenzina. e qRT-PCR od Fos, Fosb i Junb u muških ABC i ABC Hoxb9 t/g tumora. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. f IHC Fosb kod 3-mjesečnog mužjaka ABC Hoxb9 t/g i ABC tumora nadbubrežne žlijezde. g GSEA RNA-seq podataka iz muških ABC Hoxb9 t/g i muških ABC tumora nadbubrežne žlijezde. E2F cilja normalizirani rezultat obogaćivanja (NES) = 1,57, FDR q = 0,069, G2M kontrolna tačka NES = 1,70, FDR q = 0.043. h qRT-PCR od Cdk1, Ccnb1, Ccnb2, Ccne1 i Knstrn kod žena i muškaraca ABC i ABC Hoxb9 t/g tumora nadbubrežne žlijezde. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. i Pojačana regulacija gena ćelijskog ciklusa kod muških ABC Hoxb9 t/g tumora i ženskih ABC tumora (u poređenju sa ABC muškarcima). Studenti t test, **P < 0,01, *P & lt 0,05. ABC označava Ctnnb1 mutantnih tumora, ABC Hoxb9 t/g ukazuje na dvostruko mutantne tumore.

Komparativna analiza diferencijalno eksprimiranih gena između dvostrukih mutanata i Ctnnb1 mutirani ženski i muški tumori pokazali su vrlo malo uobičajenih gena izmijenjenih kod oba spola (tri gena su regulirana naviše, a šest gena niže regulirana i kod žena i kod muškaraca) (slika 4b). Potvrđivanje našeg qRT-PCR rezultata, Sf-1 bio je povećan kod dvostrukih mutanata oba pola. Zanimljivo je da su mnogi geni razlikovali između muških dvostrukih mutanata i Ctnnb1 mutanti su podijeljeni s onima koji su se razlikovali između muškaraca i žena Ctnnb1 mutantne životinje (52 gena sa povećanom regulacijom i 30 gena sa smanjenom regulacijom) (slika 4c). Ovi podaci ukazuju na to Hoxb9 djeluje na promicanje tumorogenih puteva koji su potisnuti u muškoj nadbubrežnoj žlijezdi.

Analiza putanja različito eksprimiranih gena korištenjem baze podataka interakcija protein-protein STRING identificirala je signalizaciju angiotenzina obogaćenu dvostruko mutantnim muškim tumorima u poređenju sa Ctnnb1 mutantnih tumora, uključujući Agtr1b, Egr1, Nr4a1 i članovi porodice Fos/Jun Fos, Fosb i Junb (Slika 4d i Dodatna tabela S4). 34 Zanimljivo, Cyp11b2 ekspresija, cilj ovog puta, nije promijenjena u ovim tumorima. qRT-PCR je korišten za validaciju ovih rezultata za porodicu Fos/Jun, a bojenje antitijela je pokazalo raširenu ekspresiju Fosb-a u dvostruko mutantnim tumorima (slika 4e, f). Analiza obogaćivanja genskog skupa podataka RNA-seq kod muškaraca Ctnnb1 i dvostruko mutantni tumori otkrili su obogaćivanje gena ćelijskog ciklusa kod tumora sa povišenim Hoxb9, u skladu s povećanjem proliferacije kod dvostrukih mutanata (slika 4g i dodatna tabela S6). Ovi podaci su potvrđeni pomoću qRT-PCR za Cdk1, Ccnb1, Ccnb2, Ccne1 i Knstrn, što je pokazalo povećanje ovih gena kod muških dvostrukih mutanata, ali ne i kod ženki (slika 4h). Zatim smo provjerili da li su putevi koje smo identificirali promijenjeni i kod žena Ctnnb1 mutantnih tumora, u poređenju sa mužjacima istog genotipa, jer ovi tumori dijele veliki broj izmijenjenih gena sa muškim dvostrukim mutantima (slika 4c). Pronašli smo 15 regulatornih gena ćelijskog ciklusa (E2F mete ili G2M kontrolne tačke Hallmark geni) pojačano reguliranih kod žena Ctnnb1 tumori u poređenju sa Ctnnb1 muške tumore, uključujući Ccne1 i Cdk1 (Sl. 4i). Ovi podaci ukazuju na osnovni skup gena ćelijskog ciklusa koji su povišeni u tumorima sa visokim nivoom Hoxb9 su takođe izražene na visokim nivoima kod žena Ctnnb1 tumori, u poređenju sa muškarcima.

HOX faktori kao potencijalni ciljevi lijeka u ACC

Naši podaci o transgenim miševima ukazuju na to visoko Hoxb9 ekspresija može promovirati proliferaciju stanica unutar tumorskog konteksta. Zatim smo željeli utvrditi da li HOXB9 može promovirati proliferaciju u ljudskim ACC stanicama. U skladu s našim studijama na miševima, prekomjerna ekspresija HOXB9 u humanoj ćelijskoj liniji tumora nadbubrežne žlijezde H295R dovela je do malog, ali značajnog povećanja broja ćelija (dopunska slika S4A, B, C). Da bi se utvrdilo da li HOXB9 ekspresija korelira sa proliferacijom u ljudskim uzorcima, analizirali smo njenu ekspresiju u dva skupa podataka ACC, TCGA i Cochin, sa markerima proliferacije MKI67, CCNE1 i utvrđeni potpis gena za proliferaciju (Wassef et al. 32) (slika 5a). Otkrili smo značajnu korelaciju od HOXB9 sa MKI67 i potpis proliferacije u skupu podataka Cochin ACC, ali ne i TCGA. Da bismo istražili da li su drugi HOX geni uključeni u proliferaciju u humanom ACC, izvršili smo ove korelacije sa svim članovima porodice HOX gena. Nekoliko HOX gena pokazalo je značajnu korelaciju sa svim markerima proliferacije u oba skupa podataka, uključujući HOXC9, HOXC10, HOXC11, HOXC13 i HOXD13 (MKI67 P < 0,002, potpis gena za proliferaciju P < 0,001, CCND1 P < 0,05) (Slika 5b, Dodatna slika S5, Dopunske tabele S7 i S8). Analiza korelacije ekspresije HOX gena sa ekspresijom svih ostalih članova HOX u skupu podataka TCGA ACC pokazala je HOXB9 ekspresija značajno korelira sa ekspresijom ovih HOX gena (HOXC9 r = 0.377 P = 0.000604, HOXC10 r = 0.474 P = 9.81 −06 , HOXC11 r = 0.427 P = 8.60 −05 , HOXC13 r = 0.455 P = 1,16 −06 i HOXD13 r = 0.453 P = 2,69 −05 ) (Dopunske tabele S7, S8 i Dodatna slika S6).

a Korelacija od HOXB9 izraz sa MKI67, potpis gena za proliferaciju, i CCNE1 u uzorcima pacijenata sa ACC iz TCGA i Cochin kohorti. b Korelacija od HOXC10 izraz sa MKI67, potpis gena za proliferaciju, i CCNE1 u uzorcima pacijenata sa ACC iz TCGA i Cochin kohorti. c HOX ekspresija gena u ACC uzorcima pacijenata sa agresivnom C1A ili indolentnom bolešću tipa C1B iz TCGA kohorte. Statistička analiza Wilcoxon test, ***P & lt 0,001. d HOX ekspresija gena u normalnim ljudskim nadbubrežnim žlezdama (NAd), uzorcima adrenokortikalnog adenoma (ACA) i uzorcima adrenokortikalnog karcinoma (ACC) iz Cochin kohorte. Statistička analiza je jednosmjerni ANOVA Turski test parova, ***P & lt 0,001, **P < 0,01, *P & lt 0,05. e Kaplan-Meierove krivulje preživljavanja za ACC pacijente iz kohorti TCGA i Cochin koji su imali visok ili nizak nivo HOXC10 ili HOXD13 izraz.

Da bismo utvrdili jesu li ovi geni uključeni u progresiju bolesti, izvršili smo korelacije između ekspresije HOX gena i statusa ACC C1A naspram C1B (slika 5c i dodatna slika S7), i ACC naspram ACA i NAd (slika 5d) i otkrili da viši nivoi HOX gena koreliraju sa ACC i agresivnom bolešću. Analiza ukupnog preživljavanja i preživljavanja bez bolesti između pacijenata sa ACC sa visokom i niskom ekspresijom HOX gena pokazala je korelaciju između visokih nivoa HOX i loše prognoze (Slika 5e, Dodatne slike S8 i S9). Ovi podaci govore da HOX geni mogu biti pokretači agresivne ACC bolesti.

Da bismo istražili da li rast tumora nadbubrežne žlijezde ovisi o HOX genima, izvršili smo siRNA knockdown studije HOX gena eksprimiranih u H295R stanicama. 13 Obaranje HOXA11, ali ne HOXA10 ili HOXA13, doveo je do smanjenog rasta ćelija H295R, podržavajući ulogu HOX gena u promociji proliferacije tumorskih ćelija nadbubrežne žlijezde (slika 6a, b). Analiza HOXA11 paralozi posle HOXA11 nokdaun je pokazao skromno smanjenje HOXC11 izraz, dok HOXD11 ekspresija nije otkrivena u H295R ćelijama u kontrolnim uzorcima ili uzorcima tretiranim sa siRNA (slika S4D). Naša analiza korelacije ekspresije HOX gena pokazala je snažnu korelaciju HOX gena unutar klastera, uključujući HOXA10 sa HOXA11 i HOXA13, i slabije asocijacije s njihovim paralozima (dodatne tabele S7, S8 i dopunska slika S6). Analiza HOXA11 izraz u skupu podataka TCGA ACC pokazao je da je u značajnoj korelaciji sa Ki67 izraz (P = 0.0023, r = 0,337) potpis gena za proliferaciju (P = 0.00053, r = 0,381) i CCNE1 (P = 0.0010, r = 0,363) ekspresija u ovim tumorima.

a qRT-PCR od HOXA10, HOXA11 ili HOXA13 u H295R ćelijama tretiranim neciljanom (NT) siRNA ili siRNA ciljanom HOXA10, HOXA11 ili HOXA13. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. b Krivulja rasta H295R ćelija tretiranih sa NT siRNA ili ciljanom siRNA HOXA10, HOXA11 ili HOXA13. c qRT-PCR od PBX1 u netretiranim ćelijama H295R, ćelijama tretiranim sa NT siRNA ili ciljanom siRNA PBX1. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. d Krivulja rasta netretiranih H295R ćelija, ćelija tretiranih NT siRNA ili siRNA koja cilja na PBX1. e Frakcija preživljavanja PC3, H295R, ABC (Ctnnb1 mutant) mišje nadbubrežne ćelije, ATC1 i ATC7 ćelije tretirane sa HTL001 ili CXR9. Vijabilnost ćelija je merena korišćenjem Cell TitreGlo. f Aktivnost kaspaze 3/7 za ćelije H295R tretirane sa 5 μM HTL001 (IC50), DMSO ili 5 μM CXR9 tokom 24 h. Podaci predstavljaju srednju vrijednost ± SD iz tri biološka ponavljanja. Jednosmjerna ANOVA, **P < 0,01, ***P & lt 0,001.

Kako smo pokazali da nekoliko HOX gena korelira s markerima proliferacije i agresivnom bolešću u ACC-u, odlučili smo ciljati PBX1, faktor transkripcije koji sarađuje s HOX proteinima u regulaciji ekspresije ciljnih gena i uključen je u razvoj i funkciju nadbubrežne žlijezde. 15 siRNA rušenje PBX1 u ćelijama H295R dovelo je do smanjenog nivoa ekspresije i do značajnog smanjenja ćelijske proliferacije (slika 6c, d). H295R ćelije sadrže a CTNNB1-aktivirajuća mutacija, a naše qRT-PCR studije su to pokazale PBX1 nokdaun nije imao efekta na WNT signalizaciju, mjereno nivoima ekspresije nizvodnih ciljeva AXIN2 i LEF1 (Dopunska slika S4E). Kako bismo dalje istražili mogu li HOX faktori djelovati kao mete lijeka u ACC, koristili smo razvijeni antagonistički peptid, koji ometa interakciju između HOX i PBX proteina (HTL001 30). Naše studije odgovora na lekove pokazale su da je rast ćelija H295R bio visoko inhibiran HTL001, ali ne i kontrolnim peptidom (CXR9) (slika 6e). IC50 HTL001 u ćelijama H295R bio je niži od one druge ćelijske linije koja reaguje, linije raka prostate PC3 (5,54 μM naspram 30,11 μM). Da bismo istražili jesu li tumori nadbubrežne žlijezde miša također osjetljivi, analizirali smo tri modela: dvije ćelijske linije izvedene iz tumora nadbubrežne žlijezde vođene SV40 T antigenom, ATC1 (sadrže aktivirajući Ctnnb1 mutacija 35 ) i ATC7 i primarne ćelije izvedene iz nadbubrežnog tkiva iz Ctnnb1 mutantni miševi opisani gore. Ove ćelije su tretirane antagonistom HOX–PBX peptida i ustanovljeno je da reaguju, pri čemu su ATC7 ćelije bile najosetljivije (IC50 23,11 μM) (slika 6e). Testovi ćelijske smrti na ćelijama H295R potvrdili su povećanje apoptoze u ćelijama tretiranim antagonistom (slika 6f).


Priznanja

Izvinjavamo se onima čije nedavne publikacije nismo uspjeli citirati zbog ograničenja prostora. N.I. je podržan od strane dugoročne stipendije Evropske organizacije za molekularnu biologiju i stipendije Organizacije Human Frontier Science Program. Istraživanje C.G. je podržan grantovima Evropskog istraživačkog vijeća (ERC-2008-AdG br. 232947), Nacionalnog centra za istraživanje istraživanja, Evropske mreže izvrsnosti EpiGeneSys, Agence Nationale de la Recherche i Udruženja pour la Recherche sur le Cancer .


Posebne ponude i promocije proizvoda

Sa zadnje korice

Hox geni: metode i protokoli istražuje tehnike i metodologije koje su nastale ili su uspješno primijenjene u proučavanju Hox gena i Hox proteina, na raskrsnici eksperimentalne embriologije, genetike, biohemije, fiziologije, evolucijske biologije i drugih nauka o životu. Ova detaljna knjiga počinje odeljkom o otkrivanju i funkcionalnoj analizi Hox gena, a zatim se nastavlja razmatranjem načina delovanja i biomedicinske primene Hox proteina. Napisano u vrlo uspješnom Metode u molekularnoj biologiji serijskog formata, poglavlja uključuju uvode u odgovarajuće teme, liste potrebnih materijala i reagensa, korak po korak, lako ponovljive laboratorijske protokole i savjete za rješavanje problema i izbjegavanje poznatih zamki.

Stručno i praktično, Hox geni: metode i protokoli služi kao idealan vodič za istraživače koji teže napredovanju u ovoj dinamičnoj i uzbudljivoj oblasti studija.


Priznanja

Zahvaljujemo se osoblju Istraživačke stanice Orpheus Island na njihovoj pomoći u radu na terenu i doprinosu konzorcijuma projekta Velikog koraljnog grebena (https://data.bioplatforms.com/organization/about/bpa-great-barrier-reef) u generiranje podataka korištenih u ovoj publikaciji. Također zahvaljujemo Patricku Schaefferu i Lionelu Hebbardu na komentarima na ranu verziju rukopisa.

Foto zahvalnice za sl. 1:

Paneli b1–b3 Australski institut za nauku o moru, (2017). AIMS Coral Fact Sheets -Goniastrea aspera. Pregledano 23. novembra 2017. http://coral.aims.gov.au/factsheet.jsp?speciesCode=0187.

Paneli c2–c3 Australian Institute of Marine Science, (2017). AIMS Coral Fact Sheets -Fungia fungites. Pogledano 23. novembra 2017

Paneli d1–d3 Australski institut za nauku o moru, (2017). AIMS Coral Fact Sheets-Galaxea fascicularis. Pregledano 23. novembra 2017. http://coral.aims.gov.au/factsheet.jsp?speciesCode=0185.

Panel e Ljubaznošću Andrew Baird.

Panel f “Acropora digitifera” Ljubaznošću MDC Seamarc Maldives Licencirano pod Creative Commons International Attributions 4.0.

Panel g”Porites lutea”, Australian Institute of Marine Science, Photograph by Dr. Paul Muir (2014). Licenced under Creative Commons Attributions 3.0 Australia. Available at http://eatlas.org.au/media/1626.

Panel h “Aiptasia pallida” Courtesy Ricardo González-Muñoz, Nuno Simões, José Luis Tello-Musi, Estefanía Rodríguez under Creative Commons Attributions 3.0.

Panel i Courtesy Chiara Sinigaglia.

Finansiranje

The authors gratefully acknowledge the support for the Great Barrier Reef Project enabled by funding from Bioplatforms Australia through the Australian Government National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS), Rio Tinto, a private family Foundation and the Great Barrier Reef Foundation. The work was also supported in part by of the Australian Research Council through Grant CE140100020 to DJM and to SF via the ARC Centre of Excellence for Coral Reef Studies at James Cook University.

Dostupnost podataka i materijala

The sequencing datasets (genome and transcriptome sequencing data) generated by the present study are publicly available at the European Nucleotide Archive (ENA). The accession numbers are PRJEB23333, PRJEB23312, and PRJEB23371 for Galaxea, Fungia, i Goniastrea respectively [116,117,118]. Genome assembly and annotation are publicly accessible through Reefgenomics data repository [119,120,121]. Functional annotations supporting the conclusions of this article are included within the article and its additional files. Protein sequences used for gene phylogeny construction are included in the additional files.

Additional whole genome data used for comparative analyses are available from the following resources. Acropora digitifera data were obtained from the NCBI ftp site [122] with the assembly accession GCF_000222465.1 and annotation release ID 100. The Acropora millepora genome was assembled and annotated by author SF. Genome-related data for this species have been deposited to NCBI under the accession number PRJNA473876 [123]. Porites lutea genome data are publicly available via the Reefgenomics data repository [124]. Nematostella vectensis genome data were downloaded from Ensembl genome metazoan release 29 [125]. Aiptasia genome v1.0 data were obtained from the Reefgenomics data repository [126].


Diskusija

In this study, we describe two novel echinoderm Hox genes with possible implications for Hox cluster evolution and the origin of the unusual body plan of Echinodermata. We named these genes Hox11/13d i e to indicate their relationship to the Hox11/13 genes previously described from both echinoderms and hemichordates. Our results increase the typical complement of echinoderm Posterior Hox genes to six, closer in number to the seven Posterior genes of the “archetypal” chordate amphioxus [26]. Additional, divergent sequences such as AbdB-like in S. kowalevskii and an as yet unnamed, unique Posterior Hox-like sequence we found in O. spiculata (data not shown) raise the possibility of even more unexplored, lineage-specific diversity in this iconic gene family.

The problem of Posterior Hox gene phylogeny in deuterostomes has endured ever since Ferrier et al. [22] first articulated it. Although that study largely focused on the problem as it pertains to chordates, the relationships of Hox11/13b+ genes in ambulacrarians are equally difficult to resolve. Our work confirms that this problem cannot be easily solved with the addition of more taxa and sequences: despite including complete homeodomains and flanking regions of all types of 11/13 protein from all echinoderm classes and three hemichordates, our phylogenetic analyses still yield poorly resolved trees with conflicting topologies. Rather than illuminating its evolutionary history, the mosaic distribution of conserved sequence motifs outside the homeodomain (Additional files 3and 4 Fig. 6) indicates a high level of evolutionary flexibility in this clade.

Hox genes are best known for their conserved roles in patterning the bilaterian AP axis. In echinoderms, the ancestral AP axis is obscured by the pentameral symmetry of the adult body, but a spatially ordered “Hox vector” can still be discerned in the larval somatocoels of both echinoids [30, 35] and crinoids [7]. This vector incorporates Hox7-Hox11/13b in echinoids and Hox5-Hox9/10 in crinoids, although Hara et al. [7] were unable to clone Hox11/13b from M. rotundus. Separate from this linear expression pattern, some Hox genes are also expressed in radial patterns in the adult rudiment such radial expression has been reported for Hox3 in S. purpuratus [36] and Hox3, 5 i 11/13b in P. japonica [30].

The conspicuous absence of Anterior and some Central Hox genes from the somatocoelar Hox vector, together with the rearrangement of the sea urchin Hox cluster with Hox1–3 at the “posterior” end of the cluster [5], prompted Mooi and David [37] to hypothesise a link between cluster rearrangement and what they termed the axial, radially symmetrical region of a developing echinoderm adult. Building on Duboule’s [4] discussion of Hox cluster organisation and ordering as a possible evolutionary constraint, Mooi and David [37] and David and Mooi [38] suggested that the translocation of Anterior Hox genes in echinoderms permitted a delay in their expression and a dissociation from the AP axis, allowing their novel deployment as part of the developmental toolkit for radial adult structures. The above hypothesis predicted that the 5′ translocation of Anterior Hox genes would be ancestral to living echinoderms. However, the recent publication of Hox cluster data from sea stars [10] and sea cucumbers [12] suggests that it is, in fact, a peculiarity of echinoids and therefore not associated with the origin of pentameral symmetry [39].

All of the echinoderm Hox clusters described above fell into the “Disorganized (D)” category of Duboule’s [4] classification, meaning they were intact but relatively loosely organised, with losses, inversions and/or rearrangements within the cluster. Our findings reveal two novel genes that appear completely detached from the main Hox cluster even in the echinoderm species with the least disorganized cluster described to date [10]. S obzirom na to Hox11/13d i e both occur in every extant echinoderm class, the ancestral echinoderm Hox cluster may have been “Split (S)” sensu Duboule [4] instead of merely disorganized. Linkage data from crinoids, which form the sister group to all other living echinoderms, will be essential for testing this idea. A mostly intact Hox cluster which a subset of Posterior Hox genes have nonetheless escaped from is also seen in the annelid Platynereis dumerilii [40] how closely this loss of cluster integrity parallels the situation in echinoderms remains to be seen.

Hox11/13d is expressed in embryonic stages of several echinoderms, likely an unusual trait for a Hox gene in this clade [30, 36]. Interestingly, the limited spatial expression data that exist for Hox11/13d [30] hint that despite its departure from the cluster, this gene may exhibit spatially coordinated expression with Hox11/13b, appearing in a domain more vegetal than the latter. Spatial collinearity of Hox gene expression is known to be at least partially independent of clustering. Residual spatial collinearity may persist even after complete Hox cluster disintegration [41, 42]. Conversely, Hox genes in canonically ordered clusters may evolve expression domains that break collinearity, as seen with Hox6 i Hox14 in the “archetypal” chordate amphioxus [43]. Thus, the regulatory, developmental and evolutionary significance of Hox11/13d i e being outside the Hox cluster is difficult to predict without more information on their expression and function.

Nothing is currently known about the expression and developmental roles (if any) of Hox11/13e. Za razliku od Hox11/13d, it is not present in any of the developmental transcriptomes we searched, suggesting that any developmental expression would happen at late stages that may be crucial for the development of the pentameral adult, or restricted domains that limit its detectability in transcriptome surveys. While Hox11/13d has a very similar homeodomain to Hox11/13b and c (Fig. 2) and shares several conserved motifs with the hemichordate members of the 11/13b+ group (Additional files 3 and 4), Hox11/13e has a highly distinctive homeodomain, so divergent that its original discoverers were not even certain it was a Hox gene [27]. In light of this, the high level of conservation seen in both its homeodomain and C-peptide across different echinoderm clades (Fig. 2) is intriguing, and so is the similarity of the C-peptide to Hox11/13d. As an echinoderm-specific Hox gene that is both highly unique and very conserved within echinoderms, Hox11/13e may prove especially interesting with regard to the evolution of the unusual body plan of this phylum.

Our discovery of two previously unrecognised (except for a brief mention of one of them in ref. [27]) Hox genes in the well-studied genome of the “model” echinoderm S. purpuratus highlights the continued need for in-depth studies focused on individual gene families in the age of big data. Such deep surveys may be particularly vital for Posterior Hox genes, whose higher levels of sequence divergence compared to most Anterior and Central Hox genes can make them difficult to catch in general homeodomain searches [22].

The improved taxon sampling resulting from the proliferation of “non-model” genome sequencing projects creates an unprecedented opportunity to chart the distribution of unusual members of key gene families such as Hox11/13e, an essential first step in understanding their role in body plan evolution. In combination with expression and functional studies, such surveys may shed new light on the origin of lineage-specific innovations.


Dodatne informacije

Autorski prilozi

BT made the majority of the experiments, wrote the manuscript, performed statistical analysis. T. V designed experiments, performed the expression analysis of the Hox genes, wrote the manuscript. Á R performed vulval analysis in ceh-13 i synMuv mutantske životinje. EA performed the phylogenetic analysis of the nematode Hox geni. FM designed experiments, wrote the manuscript. KTV supervised the work, designed experiments, performed cloning experiments, wrote the manuscript. Svi autori su pročitali i odobrili konačni rukopis.


Pogledajte video: Biologija. SŠ - Citoplazmatski geni, fenotip i varijabilnost, 1. dio (Februar 2023).