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.

Geni Hox

Mutazioni dei geni Hox causano la trasformazione dell’identità segmentale, ovvero della posizione delle cellule sugli assi antero-posteriore 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.

Geni che regolano l’identità delle regioni corporee.

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.

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.

ECDYSOZOA

LOPHOTROCOZOA

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).

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Ad oggi gli Hox sostengono fortemente la suddivisione dei Protostomi nei due cladi dei Lophotrocozoa e degli Ecdysozoa