Bedeutung der Hox-Gene

Was ist überhaupt ein Hoxgen?
Schon die Art der Auswirkung einer Mutation solcher Gene ist völlig überraschend und wird seltsamerweise auf der Schule in der Regel nicht behandelt. Durch die Art der Phänotypveränderung können diese Gene auch definiert werden. Wenn so ein Gen vollständig ausgeschaltet wird, treten so genannte homeotische Mutationen auf. Diese wurden zum ersten Mal von Bateson 1894 beschrieben (s. Entdeckungsgeschichte der Hox-Gene) und sehen folgendermaßen aus: Es fehlt an einer Stelle des Körpers ein bestimmter Körperteil, er ist aber durch einen anderen ersetzt.
Beispiele:
1. Die Antennapedia-Mutation bei Drosophila (s. Abb.1). Eine Antenne ist durch ein Bein ersetzt.
2. Bei Krebsen ist manchmal ein Auge durch eine Antenne ersetzt,
3. Am zweiten Thoraxsegment von Drosophila fehlen die Halteren, sie sind durch zwei Flügel ersetzt (s. Abb.2).
4. Bei einem Wirbeltier fehlt ein Halswirbel, er ist durch einen Brustwirbel ersetzt, an dem sich nun eine Rippe ausbildet, usw.

Abb.1
Die Antennapedia-Mutation bei Drosophila

Links sieht man den Kopf von Drosophila wie er beim Wildtyp aussieht.

Rechts haben an der Stelle, wo sich beim Wildtyp die Antennen befinden, Beine ausgebildet.

Abb.2
Die 4-Flügel-Mutation bei Drosophila
Im dritten Thoraxsegment besitzt Drosophila normalerweise zwei kleine Schwingkölbchen (Halteren), die man im linken Bild sehen kann. Diese sind hier im rechten Bild durch zwei Flügel ersetzt.

Bedeutung der Hox-Gene bzw. der Hox-Gen-cluster

Die folgende Erklärung soll nur einen ganz groben Eindruck von der Bedeutung der Hox-Gene geben. Die Einzelheiten können erst später dazukommen und dann wird man es besser verstehen.
Hox-Gene liegen in clustern auf der DNA (wie auf einer Perlenkette aufgereiht). Wie sie entdeckt wurden können Sie in Entdeckungsgeschichte der Hox-Gene nachlesen. Sie sind für die Differenzierung der Körperachse in verschiedene Abschnitte zuständig (AP-Achse von anterior bis posterior). Jedes Gen determiniert einen bestimmten Körperbereich. Die Gene sind auf der DNA kollinear zu den Körperbereichen angeordnet, d.h. das erste Gen ist für die Ausbildung eines vorderen Abschnittes des Körpers zuständig, das zweite für den nächsten usw. Außerdem werden weiter vorn (also am 3´-Ende des DNA-Abschnittes) liegende Gene zeitlich vor den hinter ihnen liegenden Genen exprimiert. Das mögen die Abb.3 und 4 verdeutlichen.
Das sollte im Moment nicht so aufgefasst werden, dass das erste Gen den Kopf determiniert und das letzte den hintersten Teil des Rumpfes, vor allem nicht wenn man es auf die Wirbeltiere bezieht (s. dazu die Abb.4 von der Maus). Bei Drosophila trifft das schon eher zu.

Abb.3

Die Hox-Gen-cluster von Drosophila
Die verschiedenen Farben zeigen an, in welchen Körperbereichen welche Hoxgene diffenzierenden Einfluss ausüben. Anders als bei anderen Tieren ist der Cluster hier in zwei Teile getrennt, was für unsere Betrachtung hier unwesentlich ist.

Abb.4
Die Hox-Gen-cluster der Maus
In jedem cluster befinden sich bis zu 13 Hox-Gene. Wie man aber sieht, sind in manchen clustern einige Gene im Laufe der Evolution verloren gegangen. Auch hier wird wieder durch die Farbgebung angedeutet, in welchen Bereichen der Wirbelsäule welche Hox-Gene exprimiert werden.


Dieser Hox-Gen-cluster ist inzwischen bei Tieren aus allen Tierstämmen entdeckt worden und bietet die Möglichkeit zu erforschen, wie sich die Differenzierung der Körperachse entwickelt hat. Daher ist er extrem wichtig geworden. Säugetiere haben vier solcher cluster HoxA, HoxB, HoxC und HoxD s. dazu Abb.4.

Evolution der Hox-Gene

Da alle Tierstämme Hox-cluster besitzen, kann man sie miteinander vergleichen. Man kann so ermitteln, wann welche der Gene dupliziert wurden, wann welche verloren gingen usw. Dadurch wird der Cluster zu einem wichtigen Hilfsmittel bei der Erforschung der Evolution.
Von Myers wird in Pharyngula eine Skizze entworfen, wie sich bei Arthropoden die Körpergliederung entwickelt hat. Dazu benutzt er folgenden Cartoon, der in Abb.5 dargestellt ist.

Abb.5   Evolution der Körpergliederung bei Gliedertieren

Einfache Gliedertiere sind in Kopf, Rumpf und Körperende gegliedert. Das entspricht in etwa den Tausendfüßern. Die Rumpfsegmente sind einfach Vielfache des gleichen Segmentes mit gleichem Aufbau. An jedem Segment befindet sich ein Beinpaar. Es werden hierfür nur 2-3 Hoxgene benötigt.
Durch Duplikation des Hox-Gens für den Rumpf wird das vordere der beiden in die Lage versetzt den Kopfbereich weiter zu differenzieren. Das verdoppelte Gen sorgt dafür, dass der Rumpf weiterhin korrekt gebildet wird. Im Kopfbereich werden Beinpaare zu Mundwerkzeugen umfunktioniert.
Eine weitere Duplikation erzeugt ein weiteres Hox-Gen, was dazu genutzt werden kann, dass der Rumpf in zwei Körperteile gegliedert wird, Thorax und Abdomen. Im Abdomen wird die Ausbildung der Beinpaare unterdrückt. Es ist ein insektenähnliches Tier entstanden.
Schließlich können durch weitere Duplikationen weitere Hox-Gene entstehen und eine Verfeiunerung der Körpergliederung ermöglichen, zum Beispiel die Bildung von Flügeln am 2. und 3. Thoraxsegment.

Quellen:
Pharyngula (Internetzeitschrift) 29.6.2004
Andere Lehrbücher der Entwicklungsbiologie, die ich hier nicht alle nenne.