同源異形基因
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同源異形基因（英語：Hox genes）是生物體中一類專門調(diào)控生物形體的基因，一旦這些基因發(fā)生突變，就會使身體的一部分變形。其作用機(jī)制，主要是調(diào)控其他有關(guān)于細(xì)胞分裂、紡錘體方向，以及硬毛、附肢等部位發(fā)育的基因。Hox基因屬于同源框家族的其中一員，在大多數(shù)Hox基因中，會含有一段約180個核苷酸的同源異型盒，可以轉(zhuǎn)錄出含有約60個氨基酸序列，稱為同源異形域。
Hox基因的特色之一，是其排列順序與其作用順序、作用位置相關(guān)，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(chǎn)物與作用方式。Hox基因?qū)τ趧游镄蛻B(tài)的影響，能使演化生物學(xué)研究得到關(guān)于型態(tài)轉(zhuǎn)變的線索。
目錄 |
調(diào)控型態(tài)的方式
各種生物的Hox基因之表現(xiàn)方式類似，靠近3'端的基因會表現(xiàn)于動物的身體前部，靠近5'端則表現(xiàn)于身體的后部。除了這種規(guī)律之外，Hox基因又會因?yàn)橐恍┰颍诓煌瑺顟B(tài)下有不同的表現(xiàn)。
當(dāng)Hox基因下游調(diào)控的基因改變時，會使個體產(chǎn)生變異，例如果蠅的平衡桿（halteres）與蝴蝶后翅的差別，就是源于兩者的Ubx基因受到的不同調(diào)控而產(chǎn)生。在演化的過程中，蜻蜓的Ubx下游基因調(diào)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(diào)控方式。蜻蜓、蝴蝶與果蠅的調(diào)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并不活化此基因：
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昆蟲種類
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上游Hox基因
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調(diào)控階層
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| 蜻蜓（蜻蛉目） |
Ubx
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a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c1 → c2 → c3 d1 → d2 → d3 |
| 蝴蝶（鱗翅目） |
Ubx
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a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c1 → c2 → c3 e1 → e2 → e3 |
| 果蠅（雙翅目） |
Ubx
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a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c2 → c3 → c4 d1 → d2 → d3 |
除了調(diào)控方式的差異之外，當(dāng)Hox基因本身改變，個體發(fā)育也會受到影響，例如Ubx基因發(fā)生變化時，會影響自身性質(zhì)，進(jìn)而影響與其他基因的交互作用，使動物產(chǎn)生不同外型。若是改變Hox基因在某一區(qū)域的表現(xiàn)狀況，則會使得此區(qū)域的發(fā)育產(chǎn)生變化，例如當(dāng)Ubx與Abd-A所表現(xiàn)的蛋白質(zhì)沒有作用時，會使Dll誘導(dǎo)前肢發(fā)育。不同區(qū)域的Hox基因表現(xiàn)變化，也會導(dǎo)致不同區(qū)域發(fā)展出不同的構(gòu)造，例如Ubx與Abd-A在不同部位的交互作用方式差異，是造成不同附肢形成的原因。此外，基因的表現(xiàn)量也會影響發(fā)育，例如Hox基因-{}-數(shù)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（這里指黑腹果蠅）的Hox基因皆位在其3號染色體右臂上，可分為兩個群集。一群稱作雙胸復(fù)合群（Bithorax complex，BX-C），此群集中的Ubx基因若突變，會使第3胸節(jié)（T3）變成第2胸節(jié)（T2），而且由于正常狀態(tài)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，并使原本長在T3上的平衡棒（haltere；雙翅目昆蟲特有的構(gòu)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）于1915年發(fā)現(xiàn)。
另一群基因則稱為觸足復(fù)合群（Antennapedia complex，ANT-C），此基因群集中的Antp基因發(fā)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(fā)現(xiàn)，對果蠅的幼蟲（蛆）來說，BX-C影響了T3到A8部分的發(fā)育（果蠅分節(jié)：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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群集名稱
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位置
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基因（名稱意義）
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影響位置
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| ANT-C | 靠近3'端 | lab（labial；唇） pb（proboscipedia；口器足） Dfd（Deformed；畸形） Scr（Sex combs reduced；性梳減少） Antp（Antennapedia；觸足） |
身體前部 |
| BX-C | 靠近5'端 | Ubx（Ultrabithorax） AbdA（Abdominal A） AbdB（Abdominal B） |
身體后部 |
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(dá)，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(shù)字表示，例如HOXA4，HOXB4，HOXC4與HOXD4。這些家族成員的DNA序列與轉(zhuǎn)錄出來的蛋白質(zhì)序列類似。
其中HOXD13的突變會造成多指癥（synpolydactyly）；而HOXA13的突變則會導(dǎo)致手腳生殖器癥（hand-foot-genital syndrome，HGFS）。另外HOXB群集中的8個成員會影響紅血球的發(fā)育，其中HOXB4與HOXB7又會影響T細(xì)胞與B細(xì)胞。
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位置
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基因群集
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影響頭部
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影響頸部
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影響軀干
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影響四肢
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| 7號染色體 7p15 ~ p14 |
HOXA | HOXA1 HOXA2 HOXA3 HOXA4 |
HOXA5 HOXA6 |
HOXA7 | HOXA9 HOXA10 HOXA11 HOXA13 |
| 17號染色體 17q21 ~ q22 |
HOXB | HOXB1 HOXB2 HOXB3 HOXB4 |
HOXB5 HOXB6 |
HOXB7 HOXB8 |
HOXB9 |
| 12號染色體 12q12 ~ q13 |
HOXC | HOXC4 | HOXC5 HOXC6 |
HOXC8 | HOXC9 HOXC10 HOXC11 HOXC12 HOXC13 |
| 2號染色體 2q31 ~ q32 |
HOXD | HOXD1 HOXD3 HOXD4 |
HOXD8 | 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(chǎn)生頸部的脊椎骨。另外Hoxa-11或是Hoxd-11其中一的基因發(fā)生突變時，會使橈骨（radius）或尺骨（ulna）產(chǎn)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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位置
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基因群集
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基因
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| 6號染色體 | Hoxa | Hoxa-1 Hoxa-2 Hoxa-3 Hoxa-4 |
Hoxa-5 Hoxa-6 |
Hoxa-7 | Hoxa-9 Hoxa-10 Hoxa-11 Hoxa-13 |
| 11號染色體 | Hoxb | Hoxb-1 Hoxb-2 Hoxb-3 Hoxb-4 |
Hoxb-5 Hoxb-6 |
Hoxb-7 Hoxb-8 |
Hoxb-9 |
| 15號染色體 | Hoxc | Hoxc-4 | Hoxc-5 Hoxc-6 |
Hoxc-8 | Hoxc-9 Hoxc-10 Hoxc-11 Hoxc-12 Hoxc-13 |
| 2號染色體 | Hoxd | Hoxd-1 Hoxd-3 Hoxd-4 |
Hoxd-8 | Hoxd-9 Hoxd-10 Hoxd-11 Hoxd-12 Hoxd-13 |
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參考文獻(xiàn)
- Daniel Hartl & Elizabath W. Jones. Genetic. 6th ed. Jones and Bartlett Publishers. ISBN 0-7637-1511-5
- （中文）大石正道。《圖解人類基因組的構(gòu)造》。林碧清譯。世茂出版社。2002年12月。ISBN 957-776-432-0
- （中文）Sean B. Carrol。《蝴蝶斑馬與胚胎：探索演化發(fā)生學(xué)之美》（Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo）。王惟芬譯。商周出版。2006年。ISBN 978-986-124-774-8
- （中文）生命經(jīng)緯 - ANT-C復(fù)合座位的結(jié)構(gòu)和功能
- Brian E. Staveley - Evolution and Development
- （中文）清華大學(xué) - Organogenesis
- （中文）郭曉卉 - 同位序列基因與細(xì)胞分化及器官發(fā)育
- （中文）清華大學(xué) - Developmental Biology
- Leland H. Hartwell. et al. Genetics - From gene to genome. McGraw-Hill. ISBN 0-07-540923-2
外部連結(jié)
- （中文）生物通 - 新發(fā)現(xiàn) Hox基因成簇是多余的？
- （中文）科景 - 生物：一個就夠了
- （中文）科景 - 生物：重造熱血奔騰的斑馬魚
- Society for Neuroscience - Hox Genes and Birth Defects
- A brief overview of Hox genes
參見
- 同源框
- 發(fā)育生物學(xué)
- 演化發(fā)育生物學(xué)
- 動物胚胎發(fā)生
- 同源基因（Homwtic genes）
參考來源
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