簡介
Hox基因的特色之一,是其排列順序與其作用順序和作用位置相關。例如位在較靠近3'端(
DNA的其中一端)的基因,作用的位置較靠近頭部。而且
動物界中的成員,皆擁有類似的Hox基因排列方式、產物與作用方式。Hox基因對於動物型態的影響,能使
演化生物學研究得到關於型態轉變的線索。
各種生物的Hox基因之表現方式類似,靠近3'端的基因會表現於動物的身體前部,靠近5'端則表現於身體的後部。除了這種規律之外,Hox基因又會因為一些原因,而在不同狀態下有不同的表現。
調控型態的方式
當Hox基因下游調控的基因改變時,會使個體產生變異,例如果蠅的平衡桿(halteres)與
蝴蝶後翅的差別,就是源於兩者的Ubx基因受到的不同調控而產生。在演化的過程中,蜻蜓的Ubx下游
基因調控階層(regulatory hierachy)與原始祖先較為相似,而鱗翅目(如蝴蝶)與
雙翅目(如果蠅),則改變了一些對下游基因的調控方式。蜻蜓、蝴蝶與果蠅的調控階層比較如下表,紅色字表示受到活化的基因,灰色字表示此類昆蟲並不活化此基因:
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| | a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c1 → c2 → c3 d1 → d2 → d3 |
| | a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c1 → c2 → c3 e1 → e2 → e3 |
| | a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c2 → c3 → c4 d1 → d2 → d3 |
除了調控方式的差異之外,當Hox基因本身改變,
個體發育也會受到影響,例如Ubx基因發生變化時,會影響自身性質,進而影響與其他基因的
互動作用,使動物產生不同外型。若是改變Hox基因在某一區域的表現狀況,則會使得此區域的發育產生變化,例如當Ubx與Abd-A所表現的蛋白質沒有作用時,會使Dll誘導前肢發育。不同區域的Hox基因表現變化,也會導致不同
區域發展出不同的構造,例如Ubx與Abd-A在不同部位的互動
作用方式差異,是造成不同
附肢形成的原因。此外,基因的表現量也會影響發育,例如Hox基因數目不同的昆蟲與
脊椎動物之間的差異。
各物種的Hox基因
果蠅
果蠅(這裡指
黑腹果蠅)的Hox基因皆位在其
3號染色體右臂上,可分為兩個群集。一群稱作雙胸複合群(Bithorax complex,BX-C),此群集中的
Ubx基因若突變,會使第3
胸節(T3)變成第2胸節(T2),而且由於
正常狀態下的翅膀是長在T2之上,因此這樣的突變同時會使果蠅長出兩對翅膀,並使原本長在T3上的
平衡棒(
haltere;
雙翅目昆蟲特有的構造,源自其中一對翅膀)消失。此突變最早是卡耳文·布里吉斯(Calvin Bridges)於1915年發現。
另一群基因則稱為觸足複合群(Antennapedia complex,ANT-C),此基因群集中的Antp基因發生突變時,會使長在頭上的觸角替換成第二對腿。另外pb基因的突變,則是會使頭上的口器變成腿。
兩群基因一開始的研究成果,皆是由觀察它們對
成蟲的影響而得。較晚的研究則發現,對果蠅的
幼蟲(蛆)來說,BX-C影響了T3到A8部分的發育(果蠅分節:頭、T1~T3、A1~A8、性器),其中主要的影響位置是T3到A1。ANT-C則是影響頭部以及T1到T2部分。
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| | lab(labial;唇) pb(proboscipedia;口器足) Dfd(Deformed;畸形) Scr(Sex combs reduced; 性梳減少) Antp(Antennapedia;觸足) | |
| | Ubx(Ultrabithorax) AbdA(Abdominal A) AbdB(Abdominal B) | |
人類
人類的Hox基因可分成4個基因群集,分別位在不同的染色體上,這些染色體分別是7號、17號、12號與2號。人類的Hox基因在書寫時以全大寫表達,例如HOXA、HOXB、HOXC與HOXD。此外,這些基因可分成13個平行同源家族(paralogous family),以數字表示,例如HOXA4,HOXB4,HOXC4與HOXD4。這些家族成員的
DNA序列與轉錄出來的
蛋白質序列類似。
其中HOXD13的突變會造成
多指症(synpolydactyly);而HOXA13的突變則會導致手腳生殖器症(hand-
foot-genital syndrome,HGFS)。另外HOXB群集中的8個成員會影響
紅血球的發育,其中HOXB4與HOXB7又會影響
T細胞與B細胞。
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| | | | | HOXC9 HOXC10 HOXC11 HOXC12 HOXC13 |
| | | | | HOXC9 HOXD10 HOXD11 HOXD12 HOXD13 |
老鼠
老鼠的Hox基因特性與人類相似,分別位在6號、11號、15號與
2號染色體上,書寫時只有首字母大寫,例如Hoxa-11與Hoxd-11。
第3平行同源家族,也就是Hoxa-3、Hoxb-3與Hoxd-3基因,主要作用是產生頸部的
脊椎骨。另外Hoxa-11或是Hoxd-11其中一的基因發生突變時,會使
橈骨(radius)或
尺骨(ulna)產生
輕微缺陷。若是兩個基因同時突變,則會使兩塊骨頭皆退化。
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| | | | | Hoxa-9 Hoxa-10 Hoxa-11 Hoxa-13 |
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| | | | | Hoxc-9 Hoxc-10 Hoxc-11 Hoxc-12 Hoxc-13 |
| | | | | Hoxd-9 Hoxd-10 Hoxd-11 Hoxd-12 Hoxd-13 |