Посещений:
Нох белки



Функциональная активность и специфичность

Cellular and molecular insights into Hox protein action
Rene Rezsohazy, Andrew J. Saurin, Corinne Maurel-Zaffran, Yacine Graba
Development 2015 142: 1212-1227; doi: 10.1242/dev.109785

Hox genes encode homeodomain transcription factors that control morphogenesis and have established functions in development and evolution. Hox proteins have remained enigmatic with regard to the molecular mechanisms that endow them with specific and diverse functions, and to the cellular functions that they control. Here, we review recent examples of Hox-controlled cellular functions that highlight their versatile and highly context-dependent activity. This provides the setting to discuss how Hox proteins control morphogenesis and organogenesis. We then summarise the molecular modalities underlying Hox protein function, in particular in light of current models of transcription factor function. Finally, we discuss how functional divergence between Hox proteins might be achieved to give rise to the many facets of their action.


Рисунки и тбл. к статье

Hox гены играют фундаментальную роль в контроле финальной морфологии животных с двухсторонней симметрией (Krumlauf, 1994; Pearson et al., 2005). И потеря и избыток активности Hox генов часто приводят к гомеозисным трансформациям, характеризующимися появлением органа или структуры, которые обычно образуются где-то в ином месте животных. Hox гены обнаруживают несколько уровней эволюционной консервации (Fig. 1). Во-первых, на структурном уровне, они часто складываются в комплексы, организация которых, скорее всего, отражает их филогению и регуляторные ограничения их экспрессии (Duboule, 2007; Mallo and Alonso, 2013). Во-вторых, на молекулярном уровне, все они кодируют гомеодоменовые транскрипционные факторы (Gehring et al., 1994). В-третьих,в терминах функции, они вносят сходные вклады у большинства животных и могут даже замещать функцию ортоголов у др. видов (McGinnis et al., 1990). Важно, что вариации в количестве Hox генов, паттерне экспрессии и активности белка играют главную роль в эволюции плана тела многоклеточных (Gellon and McGinnis, 1998). Hox гены оказались также ассоциированы с рядом болезней человека (Quinonez and Innis, 2014), следовательно, Hox белки являются ключевыми факторами в развитии, эволюции и физио-паталогических процессах.

Fig. 1. Hox genes and proteins.

Первоначальные исследования распознали функции Нох генов в формировании паттерна, показав, что они предоставляют осевую позиционную информацию и вносят вклад в определение клеточных территорий и устанавливают границы. Более поздние исследования показали, что Hox также вносят вклад в органогенез per se (Hombria and Lovegrove, 2003) посредством контроля разнообразных клеточных функций, включая дифференцировку, пролиферацию, миграцию или гибель (Sanchez-Herrero, 2013). Хотя разнообразные молекулярные функции были приписаны Hox белкам, включая не-транскрипционные функции, такие как репликация и трансляция (Miotto and Graba, 2010;Rezsohazy, 2014) (Box 1), Hox белки лучше всего известны как транскрипционные факторы. Соответственно, считается, что их функции базируются на избирательной активации (или репрессии) сети нижестоящих генов. В последние годы поиск генов мишеней для Hox выявил широкий диапазон нижестоящих факторов с разными биологическими функциями (Choo and Russell, 2011; Graba et al., 1992; Hueber et al., 2007), включая регуляторные функции (напр., сигнальные молекулы или компоненты сигнальных путей, транскрипционные факторы) и функции т. наз. генов реализаторов, которые более непосредственно участвуют в морфогенетических процессах.
Box 1. Non-transcriptional activities of Hox proteins Hox proteins have been linked to DNA replication, DNA repair, mRNA translation and protein degradation. Furthermore, large-scale interaction screenings have identified additional Hox interactors that are active in these processes, suggesting that the non-transcriptional activities of Hox proteins are likely to be underestimated (Bondos et al., 2006; Lambert et al., 2012; Ravasi et al., 2010).
DNA replication. Several Hox proteins stimulate pre-replication complex assembly and DNA replication. They associate with replication origins and interact with geminin, an inhibitor of replication licensing, as well as with licensing factors (Comelli et al., 2009; Luo et al., 2004;Marchetti et al., 2010; Salsi et al., 2009).
DNA repair. HOXB7 stimulates the DNA-dependent protein kinase at the onset of DNA repair via non-homologous end joining (NHEJ), and HOXB7 and Hox PG4 proteins interact with NHEJ proteins (Rubin et al., 2007; Schild-Poulter et al., 2001).
Translation. HOXA9 interacts with the translation initiation factor eIF4E and stimulates mRNA nuclear export and polysome loading. This interaction relies on a protein motif that is conserved among several Hox proteins, suggesting a broader control of translation by Hox proteins (Topisirovic et al., 2005).
Protein degradation. Hox proteins control the formation and activity of E3 ubiquitin ligase complexes: Hoxb4 and Hoxa9 promote geminin degradation (Ohno et al., 2013, 2010); HOXB13 interacts with cyclin D1 and promotes its degradation (Hamid et al., 2014); HOXA2 interacts with the E3 ubiquitin ligase RCHY1 and promotes its proteasome-mediated decay (Bergiers et al., 2013); HOXC10 interacts with CDC27, a core subunit of the anaphase-promoting complex (APC), an E3 ubiquitin ligase complex that is involved in mitosis exit (Gabellini et al., 2003).


Функции Hox генов - от регуляции мишеней и регуляции сетей генов до контроля формирования паттерна и клеточных функций - распознаны давно (Fig. 2). Однако, имеются несколько существенных провалов в этом пути. Молекулярные механизмы, лежащие в основе регуляции транскрипции с помощью Hox белков, всё ещё плохо изучены и лишь немногие Hox-зависимые сети регуляторных генов были охарактеризованы. Как эти сети в конечном итоге интимно взаимодействуют, чтобы контролировать клеточные функции, также в основном неизвестно.

Fig. 2. The path of Hox protein action.

An overview of the Hox gene family


Hox белки обладают двумя отличными и высоко консервативными свойствами: гексапептидным (HX) мотивом и гомеодоменом (HD). HX обеспечивает контакт с белками, членами класса PBC, такими как Extradenticle (Exd) у Drosophila (Mann and Chan, 1996). HD является широко используемым ДНК-связывающим мотивом, который обнаруживается также в non-Hox белках. HD складывается в тройную спиральную (helicoidal) структуру, при этом HD N-терминальное плечо контактирует с ДНК в малой борозде, а спираль 3, которая также наз. спираль распознавания, контактирует с ДНК в большой борозде (Fig. 1A). Консервация последовательностей в Hox HDs затрагивает в основном спирали 1 и 3, хотя некоторые позиции N-терминального плеча и петель между спиралями также законсервированы (Fig. 1A).
Hox гены часто собраны в кластеры в геноме и, как полагают, происходят из последнего общего родоначальника животных с двухсторонней симметрией, который, как полагают, обладает кластером, по крайней мере, из 7 Hox генов (Garcia-Fern?ndez, 2005). Во время Cambrian взрыва, количество Hox генов возросло, по-видимому, благодаря специфичным для генов и генома дупликациям (Duboule, 2007). Позвоночные, т.о., обладают группами из 13 паралогов (PGs). Каждая PG представлена генами, которые занимают сходные позиции внутри геномных кластеров (хотя имеются некоторые исключения, напр., у Caenorhabditis elegans) и обладают сходными паттерном экспрессии и функцией у разных видов. Животные, такие как Drosophila melanogaster, C. elegans имеют по одному набору Hox, тогда как те, что испытали геномные дупликации имеют по нескольку кластеров Hox генов, таких 4 у млекопитающих и 7 у лучеперых рыб (Amores et al., 2004). Паралогичные Hox белки также обладают высокими уровнями консервации последовательностей, в основном в HD, при этом HDs от разных животных, но из тех же PG обнаруживают более значительное сходство, чем с любыми др. Hox HDs у одного и того же животного. PGs также разделяются на кластеры переднего, центрального и заднего классов, отражая их домены экспрессии и действия, но также коррелируют с уровнем консервации последовательностей внутри HD (Fig. 1B).

The cellular side of Hox activity


В недавних обзорах были суммированы многие отличающиеся клеточные функции, контролируемые Hox белками, включая изменения в форме клеток и миграции, пролиферации или запрограммированной гибели клеток и дифференцировку (Cerda-Esteban and Spagnoli, 2014; Philippidou and Dasen, 2013; Sanchez-Herrero, 2013; Shah and Sukumar, 2010; Taniguchi, 2014). Здесь мы рассмотрим фенотипы, ассоциированные с дисфункциями Hox генов и с их манипуляциями, которые предоставляют информацию, по крайней мере, на феноменологическом уровне, о том, как Hox гены осуществляют свои функции.
Самое раннее во время гаструляции у птиц и млекопитающих начинают экспрессироваться Hox гены упорядоченным во времени способом в клетках эпибласта перед его ингрессией через первичную полоску. Считается, что контроль экспрессии контролирует миграторные свойства клеток и время ингрессии (Iimura and Pourqui?, 2006). Позднее Hox гены помогают клеткам мигрировать и в случае ЦНС в становлении сетей и связей (circuits) (Gavalas et al., 1997), напр., во время становления соматосенсорных топографических проекций и прокладки путей (Oury et al., 2006), при построении пред-мозжечковой системы, базирующейся на сигналах к мозжечку (Di Meglio et al., 2013; Geisen et al., 2008), или при развитии центральных слуховых связей (circuits) у мышей (Di Bonito et al., 2013). У C. elegans, Hox белки также участвуют в контроле клеточной миграции нейробластов (Tamayo et al., 2013). Более того, у рыб данио Hox гены участвуют в контроле коллективной миграции клеток во время развития чувствительной к механическим воздействиям боковой линии (Breau et al., 2013). Во всех этих ситуациях Hox белки контролируют экспрессию лиганд/рецептор, приводящую к взаимодействиям привлечения/отталкиваения между мигрирующими клетками и окружением через которое они перемещаются. Модулирование клеточной формы является др. способом контроля одиночной или коллективной миграции клеток и ремоделирования ткани, а Hoxb1b, как было установлено, регулирует динамику микротрубочек во время процесса образования нервной трубки у рыб данио (Zigman et al., 2014). Hox белки также непосредственно регулируют клеточную форму, межклеточные коммуникации и передачи сигналов к соотв. размежовывающим функциональным и морфологическим границам между сегментами заднего мозга у позвоночных (Prin et al., 2014), а Drosophila Hox белок Abdominal B (AbdB), как было установлено, координирует модификации клеточной адгезии и цитоскелета, необходимые для изменения клеточной формы и инвагинации во время развития задних дыхалец, которые составляют задний конец личиночной респираторной системы (Castelli Gair Hombria et al., 2009).
Hox белки могут также связывать дифференцировку с морфогенезом, контролируя выбор клеточных судеб во время дифференцировки клонов. PG9 гены. напр., участвуют в созревании, экспансии и дифференцировке молочных желез (Chen and Capecchi, 1999). Контроль клеточной дифференцировки был также установлен для Hoxa5 у мышей, который инструктирует эпителий из стромальных клеток лёгких, кишечника и молочных желез (Aubin et al., 2002; Boucherat et al., 2012; Garin et al., 2006). У позвоночных некоторые Hox гены, как было установлено, или способствуют или подавляют развитие или ремоделирование сосудов (Stoll and Kroll, 2012), подкрепляя общее мнение, что Hox белки непосредственно модулируют гены эффекторы, участвующие в контроле межклеточных и клетка-ЕСМ взаимодействий (Kachgal et al., 2012; Winnik et al., 2009). Кожа является ещё одним органом, в котором некоторые Hox белки играют роль в контроле дифференцировки, действуя как транскрипционные факторы эффекторы, напр., непосредственно контролируя гены кератинов у млекопитающих, но также и как 'вышестоящие' регуляторы, действующие на высоком уровне в иерархии регуляторных сетей (Godwin and Capecchi, 1998; Johansson and Headon, 2014; La Celle and Polakowska, 2001;Potter et al., 2011; Rinn et al., 2008). Определенные Hox белки экспрессируются также в эндометрии и, по-видимому, функционально важны для дифференцировки восприимчивости клеток эндометрия (Lu et al., 2008; Xu et al., 2014). У Hoxd11-13 мутантных мышей дифференцировка хондроцитов останавливается на ранней стадии и вскоре после рождения эти хондроциты подвергаются быстрому созреванию и замещаются остеобластами, приводя к укорочению костей (Gonz?lez-Mart?n et al., 2014). HOXA10, как было установлено, поддерживает продукцию остеобластов (Gordon et al., 2011; Hassan et al., 2007). Во время гематопоэза некоторые Hox гены вносят вклад в контроль стволовости клеток в противовес дифференцировке (Alharbi et al., 2013). В этом контексте, HOXB4, по-видимому, действует и клеточно автономно и клеточно неавтономно, возможно посредством эффектов становления ниши haematopoietic stem cell (HSC) (Jackson et al., 2012). Сходным образом, AbdB контролирует ниши стволовых клеток в семенниках Drosophila, исключительно с помощью клеточно неавтономной регуляции ориентации центросом и скорости делений в стволовых клетках зародышевой линии (Papagiannouli et al., 2014).
Hox белки могут также модулировать клеточную пролиферацию и ход клеточного цикла. Среди недавно описанных примеров, Antennapedia (Antp) , как было установлено, контролирует выход из клеточного цикла нейробластов Drosophila (Baumgardt et al., 2014). IУ рыб данио, Hoxb8a контролирует пролиферацию клеток в зачатках, которые будут вносить вклад в развитие боковой линии (Breau et al., 2013). Имеется также несколько примеров, в которых Hox белки обладали онкогенной активностью, особенно в контексте лейкемии (Shah and Sukumar, 2010). Более того, у мышей, моделирующих лейкемию, Hoxa9, как было недавно установлено, непосредственно контролирует регуляторы клеточного цикла вместе с CCAAT/enhancer-binding protein alpha (Cebpα) (Collins et al., 2014) и methyltransferase G9a (Ehmt2) (Lehnertz et al., 2014).
Некоторые примеры указывают на то, что активность Hox activity может влиять на выбор следовать по пути запрограммированной гибели клеток, напр., во время Hox-обеспечиваемой регуляции гена клеточной гибели у Drosophila (Lohmann et al., 2002; St?be et al., 2009). У C. elegans LIN-39 Hox белок супрессирует несоответствующий апоптоз в предшественниках серотонин-ергических нейронов специфических для самцов (Kalis et al., 2014), а MAB-5, др. C. elegans Hox белок, непосредственно контролирует апоптоз в про-нейральных вентральных бластных клетках (Liu et al., 2006). Делеции гена Hoxdвызывают 6-кратное увеличение апоптоза во время развития почек у мышей (Di-Poї et al., 2007). Напротив, мутантные мыши с потерей функции Hoxa13, обнаруживают дефекты межпальцевого апоптоза (Post et al., 2000; Stadler et al., 2001), тогда как HOXA5 стимулирует апоптоз в ткани молочных желез человека и мыши путем регуляции генов p53 (TP53/TRP53), Twis и caspase 2 и 8 (Chen et al., 2004; Raman et al., 2000; Stasinopoulos et al., 2005).
Отражают ли этим многочисленные функции плейотропное действие Hox белков или напротив регуляторную активность вышестоящих 'управляющих' генов, исследовали редко. В немногих случаях, в которых Hox-зависимые сети регуляторных генов были выявлены, стало очевидным, что действуют оба сценария. Hox гены могут, напр., инициировать уникальную сеть регуляторных генов, действуя на самом верху такой сети (Lovegrove et al., 2006). Они могут также локально модифицировать сети регуляторных генов, которые работают в разных частях тела, за счет действия на нескольких уровнях сети и управляют различными аспектами органогенеза (Weatherbee et al., 1999).

The functional versatility of Hox proteins


Частично эта молекулярная сложность возникает в результате разнообразия функций каждого Hox белка, подчеркивая важность клеточного контекста в обеспечении исхода активности Hox белка. Немногочислены примеры разносторонних функций Hox белка.
В молочных железах, HOXA5 способствует апоптозу и экспрессии p53; , однако, в контексте гематопоэза, HOXA5, по-видимому, не действует как супрессор опухолей (Bach et al., 2010). Более того, в то время как HOXA9 является сильным онкогеном, способствующим лейкемии, он ингибирует опухолевый рост и метастазирование в молочных железах (Gilbert et al., 2010; Sun et al., 2013). Во время развития кожи, HOXA7 ингибирует дифференцировку кератиноцитов путем репрессии гена transglutaminase TGM1 (La Celle and Polakowska, 2001). Напротив, TGM1 активируется с помощью HOXA7 в карциномах. Этот контекст специфичности и разносторонности в Hox контроле клеточных функций подтверждается также HOXB4, который экспрессируется в базальном клеточном слое развивающейся кожи и в супра-базальных слоях кожи взрослых (Komuves et al., 2002). В то время как базальные клетки развивающейся кожи пролиферируют и обнаруживают строгую экспрессию HOXB4 , клетки супра-базальных слоёв взрослой кожи являются PCNA негативными и обнаруживают низкую или не обнаруживают пролиферацию. Относительные концентрации HOXB4, однако, ниже в клетках субпрабазальных слоёв взрослых, чем в базальных клетках развивающейся кожи. Это говорит в пользу контекст-зависимых и зависимых от уровня экспрессии исходов от активности HOXB4 в клетках кожи. Сходные выводы могут быть сделаны для HOXB6, который обнаруживается в супрабазальном слое во время раннего развития кожи, затем в в верхних слоях на плодной и взрослой стадиях; белок в основном цитоплазматический на плодной стадии, затем ядерный у взрослых (но снова цитоплазматический в карциномах), и исследования показали, что он экспрессируется в виде укороченного (цитоплазматического) варианта в не дифференцированных клетках, но полной длины +ядерный) белок после дифференцировки (Komuves et al., 2000).
Контроль гематопоэтической стволовости представляет др. хорошо известный пример многообразия и контекст-специфичности функции Hox белка и также подчеркивает существование партнерства с др. транскрипционными факторами. Hoxb4 модулирует чувствительность HSC к некоторым внешним сигналам и оказывает зависимый от дозы эффект на самообновление HSC, поддерживая нормальную дифференцировку в противовес нарушениям дифференцировки (Klump et al., 2005; Schiedlmeier et al., 2007; Will et al., 2006). Контекст-специфическая активность HOXB4/Hoxb4 и владение промотором подчеркиваются геномными поисками мишеней и эти исследования выявили динамику Hoxb4 регуляторной сети в процессе дифференцировки эмбриональных стволовых клеток в гематопоэтические предшественники (Fan et al., 2012; Oshima et al., 2011). Hoxb4 ChIP пики коррелируют с сайтами связывания известного гематопоэтического транскрипционного фактора или пиками ChIP, подтверждая, что Hoxb4 действует в комбинации во время гематопоэза.
Функциональное разнообразие Hox белков снова подчеркивается во время развития рака простаты. В патофизиологии простаты HOXB13 действует или как опухолевый супрессор или как онкоген, в зависимости от типа раковых клеток. Некоторые раки простаты, как известно, растут в ответ на действие андрогенов, а HOXB13 является бивалентным регулятором андрогеновых рецепторов (AR) (Norris et al., 2009), позитивно или негативно регулируя взаимодействия AR с хроматином. Это, в свою очередь, модулирует клеточную реакцию на андрогены. Кроме того, в чувствительных к андрогенам моделях раковых клеток простаты активность HOXB13 приводит к снижению фосфорилирования pRb (retinoblastoma 1), это затем приводит к стабилизации комплекса pRb-E2F и подавлению роста (Hamid et al., 2014). Напротив, HOXB13 может быть избыточно экспрессирован в устойчивых к андрогену опухолях простаты, стимулируя прогрессирование опухоли скорее, чем к супрессии опухоли (Kim et al., 2010). В этих опухолях, HOXB13, по-видимому, ингибирует p21 (CDKN1A), это делает возможной активацию E2F и продожение клеточного цикла.
Наконец, разнообразие функций Hox белка может быть также результатом пост-трансляционных модификаций. Phospho изоформы Drosophila Ultrabithorax (Ubx), напр., распознаются более продолжительное время (Gavis and Hogness, 1991), а изменения активности Drosophila Antp и Sex combs reduced (Scr) белков было продемонстрировано после фосфорилирования (Berry and Gehring, 2000; Jaffe et al., 1997). Предполагается, что фосфорилирование влияет на эволюцию функции репрессии Ubx в конечностях в линии артропод (Ronshaugen et al., 2002). У позвоночных HOXA10 экспрессия сопровождает миелоидную дифференцировку и в этом отношении HOXA10 действует и как активатор и как репрессор на разных стадиях миелопоэза, при этом его активность регулируется за счет фосфорилирования и дефосфорилирования тирозина (Bei et al., 2007; Eklund et al., 2002). HOXB7 может быть polyADP-ribosylated с помощью poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1), которая затем приводит к снижению транскрипционной активности HOXB7 (Wu et al., 2012). Насколько экстенсивно Hox белки модифицируются пост-трансляционно, включая убиквитинирование, сумоилирование и ацетилирование, и как эти модификации влияют на активность Hox белков остается неизвестным.

Hox proteins as transcription factors: the Hox-PBC partnership and modes of action


Понимание разнообразия и специфичности функции Hox белков, как и многосторонней природы активности белков Hox заставляет нас исследовать, как Hox белки действуют как транскрипционные факторы. Hox белки имеют общий сильно консервативный HD, возникает вопрос. как обеспечивается функциональная специфичность (Hayashi and Scott, 1990). HDs обнаруживаются в огромном числе транскрипционных факторов, обладающих широким спектром изменчивости последовательностей и в некоторых примерах ассоциированы с др. ДНК-связывающими доменами. Обзор свойств связывания ДНК у почти всех Drosophila и мышиных HDs показывает, что дивергентные HDs распознают разные последовательности ДНК, но что внутри данной группы, высокое сродство сайтов связывания обнаруживается у всех членов (Berger et al., 2008; Noyes et al., 2008). Более того, за исключением заднего Hox класса (AbdB у Drosophila), все Hox белки попадают в один HD класс, т.н. класс Antennapedia (Antp), в котором HD не связан с дополнительным ДНК-связывающим доменом, оставляя мало, если вообще, видимых молекулярных основ для разнообразия функций индивидуальных Hox белков.
Наше сегодняшнее мнение о том, как Hox белки действуют, испытывая выраженное влияние от ранней идентификации белков PBC класса, которые функционируют как генеральные Hox ко-факторы (Fig. 3). Подобно Hox белкам, класс PBC представлен эволюционно законсервированными HD-содержащими белками. Первоначально идентифицированные как leukemic слияние с E2, PBC белки принадлежат к классу TALE HD белков, которые характеризуются, расширением в виде петли в три аминокислоты (B?rglin, 1998). Было показано, что Exd, единственный представитель класса PBC у мух, необходим для собственно активности Hox белка (Peifer and Wieschaus, 1990) и способствует Hox кооперативному связыванию ДНК (Chan et al., 1994; van Dijk and Murre, 1994). Сходным образом, белки Pbx позвоночных, как было установлено, способствуют Hox кооперативному связыванию ДНК (Phelan et al., 1995), а функциональные исследования в области рака и биологии развития предоставили функционально значимые контексты таких ассоциаций (Moens and Selleri, 2006). Хотя и сделана шаг вперед в смысле понимания специфичности Hox белков, партнерство с PBC всё ещё ставит перед нами вопросы, как Hox белки могут обладать отличающимися функциями при взаимодействии с членом одиночного класса Pbx у позвоночных или с единственным белком (Exd) у Drosophila.

Fig. 3. An overview of Hox-TALE interactions.

Консенсусная последовательность ДНК, связываемая комплексами Hox-PBC является 5'-TGATNNATNN-3'; первые четыре нуклеотида связывают белок PBC, тогда как остальные используются для связывания Hox (Fig. 4). Эта последовательность значительно длиннее, чем распознаваемая Hox мономерами, улучшает de facto специфичность и в большинстве примеров отличается от сайта связывания мономера, указывая тем самым, что взаимодействие с PBC белками модифицирует связывание Hox с ДНК. Обширный анализ сайтов связывания ДНК, распознаваемых всеми Drosophila Hox белками в ассоциации с Exd, использовали Selex-Seq экспериментальную платформу (Slattery et al., 2011b), показавший, что присутствие Exd открывает преференции Hox латентных сайтов связывания. Различия между предпочтительными последовательностями ДНК в основном, но не уникально, находятся в центральных NN нуклеотидах. Интересно, что эти центральные нуклеотиды, как было установлено ранее, влияют на преференции сайта связывания и функциональную специфичность Drosophila Labial (Lab) и Deformed (Dfd) Hox белков (Chan et al., 1997).

Fig. 4. Multiple routes for Hox protein activity.

Hox-PBC взаимодействия базируются на сильно законсервированном способе взаимодействия с участием стороны Hox, мотива HX, который расположен выше HD, и стороны PBC, пептида TALE, расположенного между спиралями 1 и 2 в HD (Johnson et al., 1995; Joshi et al., 2007; LaRonde-LeBlanc and Wolberger, 2003; Passner et al., 1999; Piper et al., 1999; Shen et al., 1996). Итак, учитывая важность, благодаря главным образом анализу химерных белков, N-терминального плеча HD для специфичности Hox белка, было предположено, что HX, линкерный регион, отделяющий HX от HD, и HD N-плечо составляют модуль специфичности (Joshi et al., 2010).Этот модуль специфичности контактирует с PBC партнером посредством HX мотива, который, в свою очередь, геометрически ограничивает линкерный регион в конечном итоге позицией N-терминального плеча HD внутри минорной борозды ДНК. такое расположение базируется на разных, пока трудно различимых, механизмах использования распознавания формы минорной борозды ДНК и распознавания с помощью специфических оснований (Joshi et al., 2007).
Этот модуль специфичности, который обладает некоторой paralogue специфичностью, и его роль в избирательности сайта связывании ДНК составляет важную основу, для различение активности Hox белков, принадлежащих к разным PGs, и подтверждает мнение, что дивергенция последователности Hox PG белков управляет функциональной диверсификацией. Пока этого недостаточно для объяснения специфичности Hox белков, т.к. каждый имеет свое собственное недостаточно предсказуемое значение (Ebner et al., 2005). Напр., комплекс Lab-Exd, как было установлено, распознает Hox/PBC комбинированную последовательность, несущую отличающиеся нуклеотиды в соединение между сайтами-половинками Hox и Exd: GG, в эволюционно законсервированном ауторегуляторном элементе гена Hoxb1 (Chan et al., 1997; P?pperl et al., 1995); TA в модифицированном lab ауторегуляторном элементе (Grieder et al., 1997); и CA в отличающемся Lab нижестоящем гене мишени (Ebner et al., 2005). Напротив, Lab и Scr оба распознают и действуют in vivo на последовательности с идентичными нуклеотидами в центральной позиции Hox/PBC консенсусного сайта. Вариации последовательностей ДНК в дистальной части Hox сайта-половинки, которые находятся в позиции контакта спирали распознавания Hox, также, скорее всего, играют роль в определении специфичности связывания ДНК (Fig. 4). Это подчеркивает существование дополнительных механизмов специфичности, которые ещё предстоит выяснить.
Дополнительные белковые партнеры, такие как Homothorax (Hth) у Drosophila и класс Meis белков позвоночных, как известно, физически взаимодействуют с и влияют на активность Hox-PBC-DNA регуляторных комплексов (Chan et al., 1997; Li-Kroeger et al., 2008; Mann and Affolter, 1998; Ryoo et al., 1999). Геномный анализ профиля связывания ДНК Hth в гальтерах, балансерах полета, и ножных имагинальных дисках подчеркнул значительное, хотя и лишь частичное, перекрывание с профилем связывания Hox белка Ubx (Choo et al., 2011; Slattery et al., 2011a). Сходным образом, у мышей геномное распределение Meis белков перекрывается с таковым Hoxc9 и Hoxa2 (Penkov et al., 2013). В случае бранхиальных дуг, недавно было установлено, что Hoxa2 избирательно усиливает связывание Meis, чтобы модифицировать Meis-зависимое основное состояние в характерное для второй бранхиальной дуги, подчеркивая роль Hox белка в спецификации активности др. транскрипционного фактора (Amin et al., 2015). Как Hth/Meis и Hox белки реципрокно модифицируют свои преференции в связывании ДНК и функциональные специфичности, остается неясным и нуждается в структурной характеристике Hox-PBC-Meis-DNA комплексов, которые были охарактеризованы биохимически и функционально.

Additional facets of Hox-PBC partnerships


Партнерство с PBC белками выполняет функции и помимо обеспечения специфичности связывания Hox с ДНК. Иллюстрирует это роль Exd в буферизации потенциала связывания мономеров Hox белка Lab. Базируясь на изменениях в протеолитическом паттерне Lab после связывания Exd, вместе с повышенным Lab мономерным связыванием и гиперактивностью in vivo вследствие мутации в мотиве HX, было предположено, что связывание Exd с Lab преодолевает ингибирующую роль HX на связывание Lab ДНК (Chan et al., 1996). Вместе с наблюдением, что мутация HX также увеличивает мономерное связывание др. Hox белков, таких как Drosophila Antp и AbdB и мышиный Hoxb8 (Hudry et al., 2012; Merabet et al., 2007), это подтверждает, что Hox-PBC взаимодействия могут служить не только, чтобы способствовать избирательности связывания, но и также, по крайней мере, для некоторых Hox белков, чтобы одновременно предупреждать неуместные связывания мономерных Hox белков (Fig. 4).
Чтобы исследовать Ubx-VP16 слитый белок, который функционально воспроизводит Antp, привело к предположению, что регуляция активности Hox вносит вклад в функциональное разграничение Hox паралогов (Li and McGinnis, 1999). Изменения в транскрипционной активности Hox были также предположены, как лежащие в основе эволюции морфологических признаков, у артропод (Galant and Carroll, 2002; Ronshaugen et al., 2002). Как регуляция активности связана с PBC партнерством проясняется в случае Dfd. Базируясь на клеточной культуре in vitro, биохимические и функциональные исследования на эмбрионах Drosophila позволили предположить, что HD ингибирует Dfd потенциал транскрипционной активности и что взаимодействие с Exd супрессирует эту ингибирующую функцию (Li et al., 1999). Кроме того, делеция Dfd N-терминальных доменов в химерах Dfd-Scr, в которых специфичность модуля такова, что Scr, приводящий к переключению репрессии-к-активации в регуляции нижестоящей мишени forkhead, ещё больше подтверждает роль Exd в контроле регуляции активности Hox (Joshi et al., 2010). Как в точности взаимодействие с Exd влияет на активность Hox и как в целом осуществляется эта функция Exd, еще предстоит установить.
Хотя они в целом обеспечивают позитивное партнерство с Hox белками, Exd и Hth, как недавно было установлено, противодействуют функции задних Hox белков. Используя фенотипический и молекулярный анализ, было показано, что несоответствующее поддержание экспрессии Exd/Hth в заднем домене эмбрионов Drosophila, где качественные особенности специфицируются с помощью задних Hox генов AbdB, фенокопии AbdB теряют функцию (Rivas et al., 2013). Такое антагонистическое взаимоотношение также приложимо к репрессии супрессирующего конечности гена Distalless (Dll) с помощью AbdB (Sambrani et al., 2013). Это подчеркивает различие Hox-PBC партнерства, вызывающего антагонизм вместо кооперации и подтверждает, что диверсификация природы партнерства PBC может играть роль в различиях функции задних в противовес центральным и передним Hox белкам. Основа для такой антагонистической функции остается загадочной. Интересно отметить, что при активной Selex-Seq-based сравнительной характеристике Hox мономеров в противовес Hox-Exd связывающим свойствам, было установлено, что в случае переднего Lab и центрального Ubx белков, но не заднего AbdB белка, Exd способствует специализации паралогов по признаку связывания ДНК (Slattery et al., 2011b).
Наконец, в то время как HX обнаруживает длительно сохраняющийся единственный хорошо охарактеризованный способ взаимодействия с PBC, Hox-PBC взаимодействие, скорее всего, участвует в увеличении сложности, которая, в свою очередь, возможно вносит вклад в разнообразие и специфичность действия Hox. Рассмотрение in vivo Hox-PBC взаимодействий, включая большинство Drosophila и немногих представителей позвоночных Hox белков, подчеркивает, что альтернативы HX-обеспечиваемых PBC взаимодействий являются общими (Hudry et al., 2012), расширяя предыдущие наблюдения, показавшие, что Exd-зависимая функция может быть достигнута с помощью дефицитных по HX белков Ubx и AbdA (Galant et al., 2002;Merabet et al., 2003). Кроме того, хотя получена информация о том, как N-терминальное плечо HD контактирует с минорной бороздой ДНК (проксимальная часть сайта связывания Hox), способ взаимодействия HX предоставил лишь ограниченную информацию о том, как ассоциация с Exd вызывает изменения, происходящие в дистальной порции сайтов связывания Hox (Fig. 4), это, скорее всего, обеспечивается с помощью спирали распознавания Hox (Slattery et al., 2011b).
Изучение Drosophila Ubx и AbdA открывает интересные перспективы в этом отношении. Был идентифицирован специфичный для паралогов белковый домен, UbdA, который располагается непосредственно C-терминальнее HD и участвует в рекрутировании Exd (Lelli et al., 2011; Merabet et al., 2007; Saadaoui et al., 2011). Этот домен складывается как гибкое расширение спирали распознавания HD и определяет Hox-PBC контакты, происходящие, если сравнивать с теми, обеспечиваемыми с помощью HX мотива, на противоположной стороне двойной спирали ДНК (Foos et al., 2015). Это подтверждает, что UbdA-обеспечиваемые Exd контакты могут непосредственно тонко настраивать расположение спирали распознавания в большой борозде ДНК и влиять на контакты ДНК, обеспечиваемые с помощью дистальной части сайта связывания Hox.

Current models for transcription factor function: Hox proteins and beyond


Первоначально интуитивно было предположено, что все транскрипционные факторы действуют посредством 'хирургического' способа действия, соединяясь с ограниченным количеством геномных локусов. Однако, современная модель функционирования транскрипционных факторов побуждает нас пересмотреть это мнение. Работа транскрипционных факторов касается многих классов ДНК-связывающих доменов, формирующих паттерн ранних эмбрионов Drosophila, показывает, что транскрипционные факторы с хорошо известными онтогенетическими функ3иями, обнаруживают неожиданно большое количество сайтов связывания в геноме - до 20000 (Li et al., 2008; MacArthur et al., 2009). Ещё более удивительным оказалось открытие, что сайты связывания для этих молекулярно различающихся транскрипционных факторов с разными биологическими функциями сильно перекрываются (MacArthur et al., 2009). Это подчеркивает, что событие связывания лучше всего рассматривать как вероятностное событие скорее, чем как качественное событие вк/вык. Такое широкое геномное связывание согласуется с обилием ядерных транскрипционных факторов (Biggin, 2011), которое недавно было пересмотрено (Li et al., 2014), и с термодинамическими моделями геномного владения (Kaplan et al., 2011). Коррелятивный анализ далее подтвердил идею, что геномные регионы с высоким и частым владением транскрипционных факторов поддерживают транскрипцию (MacArthur et al., 2009), тогда как регионы с низким и нечастым владением транскрипционных факторов не обладают транскрипционным регуляторным потенциалом (Fisher et al., 2012). Это привело к мнению, что транскрипционные факторы действуют в соответствии с контекстом количественной continua модели, согласно которой нет четких границ между транскрипционно значимыми и не значимыми событиями связывания (Biggin, 2011; see below). Качество укладки комплекса транскрипционного фактора может служить, помимо количественных аспектов, чтобы функционально различать между этими событиями связывания.
Чтобы убедиться, действительно ли модель количественной протяженности (continua) приложима к белкам Hox, необходимо оценить их геномное распределение. Однако, данные доступны только для немногих примеров: для двух белков Drosophila (Dfd и Ubx), nh[ белков у червей (MAB-5, EGL-5 и LIN-39) и немногих белков позвоночных (Hoxa2, Hoxa9/A9, HOXA13, Hoxb4/B4, Hoxc6/C6, Hoxc9/C9 и HOXD13; Table 1). Количество сайтов связывания для каждого из этих белков в их соотв. геномах находится в пределах от 500 до почти 30000. Действительно ли эти различия связаны с прирожденными отличиями в поведении связывания ДНК, оценить трудно, поскольку данные были получены с использованием разных методологий (ChIP-chip, ChIP-Seq) и были проанализированы с помощью разных биоинформационных подходов и статистических обработок. В частности, трудно определить соотв. точность используемого анализа, особенно если принять во внимание недавнюю находку, что сайты с низким сродством связывания обеспечивают функцию Ubx при формировании паттерна личиночной кутикулы (Crocker et al., 2015).

Table 1.

Evaluating the genomic binding and gene regulatory effects of Hox proteins


Принимая во внимание характеристики биологического материала на старте, важно, когда определено значение событий связывания. В этом контексте, два свойства - клеточная гетерогенность и промежуток во время развития - особенно важны и необходимо отметить, что выявляемые события связывания представляют собой сумму событий, происходящих в разных типах клеток и/или в разные временные точки. Хотя в целом это приложимо, но эти ограничения особенно верны для Hox белков, которые, как известно, формируют паттерн полей клеток, которые заключают в себе разные типы клеток с очень динамичными манерами за счет регуляции разных наборов генов мишеней в разные временные точки (Fan et al., 2012; Pavlopoulos and Akam, 2011; Sorge et al., 2012), возможно ассоциированные с динамикой геномного связывания (Fan et al., 2012; Niu et al., 2011). Учитывая эти ограничения и принимая во внимание очень низкую false discovery rate (FDR), количества (see Table 1) будуn, по-видимому, сравнимыми с теми, что обнаружены для др. транскрипционных факторов, подтверждая, что связывание ДНК с помощью Hox также может быть широко распространенным.
Оценка способности геномного связывания Hox белков также позволят сравнить и тем самым разрешить вопрос, как определенные свойства связывания разных белков паралогов Hox позволяют оценить, насколько эти свойства эволюционно законсервированы. В случае Drosophila Ubx и Dfd (Sorge et al., 2012) было установлено, что несмотря на обладание идентичными ДНК связывающими последовательностями, белки связывают неперекрывающиеся геномные регионы, показывая, что in vivo связывание регулируется помимо прирожденного потенциала связывания ДНК Hox белками. Т.о., по крайней мере, в этом одиночном примере видно, что несмотря на широкую распространенность, Hox белки могут и не обнаруживать перекрывающегося геномного связывания, характерного для др. транскрипционных факторов (MacArthur et al., 2009).
Др. важным вопросом, если рассматривать модель количественной протяженности (continua), как охарактеризовать взаимоотношения между событиями связывания и транскрипцией соседних генов. Хотя данные транскриптома доступны для большого числа Hox белков (Sanchez-Herrero, 2013), лишь в немногих примерах проводили эксперименты на идентичный или сходный биологический материал, позволяющий связать геномные и транскриптомные данные (Table 1 and Fig. 5, solid red and green boxes). Во всех случаях было установлено, что лишь небольшая фракция событий связывания ассоциирует с Hox-обеспечиваемым контролем транскрипции (Table 1), подтверждая модель количественной протяженности. Этот заключение следует принимать с осторожностью, поскольку динамика связывания ДНК может точно также объяснить эти наблюдения.

Fig. 5. An overview of convergent genomic, transcriptomic and proteomic Hox-related data.

Extending the Hox framework: additional transcription factors, chromatin regulators and links to the transcription machinery


Генетические исследования на дрозофиле выявили Exd-независимые Hox функции, напр., во время формирования паттерна сердца и спецификации гальтер (Galant et al., 2002; Perrin et al., 2004). В соответствии с этим геномные данные подчеркивают слабое перекрывание между событиями связывания Ubx и Exd (N?gre et al., 2011), также как и между мышиными Hoxa2/Hoxc9 и Pbx1 (Penkov et al., 2013), вместе подтверждая идею, что Hox белки могут также действовать без помощи PBC белков. В согласии с этим, анализ последовательностей Hox-преципитированной геномной ДНК идентифицировал мотивы связывания ДНК для изветсных транскрипционных факторов, которые т.о., проявились, как потенциальные дополнительные партнеры Hox белков (Table 1). Это создает стимул для расширения нашей точки зрения на архитектуру Hox чувствительного элемента (Mann et al., 2009; Pearson et al., 2005). Однако, эти находки д. б. скоррелированы с функциональными исследованиями или протеомными interactomic скринингами, чтобы идентифицировать взаимодействующие с Hox транскрипционные факторы (Bondos et al., 2006; Lambert et al., 2012).
Понимание функций транскрипционных факторов Hox также нуждается в информации о том, модулируют ли они и отвечают ли на разные свойства хроматина. В этом контексте модели количественной протяженности находки, что перекрывающееся геномное связывание коррелирует с доступностью хроматина (Li et al., 2011) подтверждает, что такая доступность может объяснить геномное распределение многих транскрипционных факторов. Кроме того, предсказания сайтов геномного связывания транскрипционных факторов с помощью компьютерного моделирования (базирующегося на концентрации и предпочтительности связывания в ядре транскрипционного фактора) лучше всего согласуется с действительными in vivo геномными распределениями, если принимать во внимание доступность хроматина (Kaplan et al., 2011). Это мнение также согласуется с недавним открытием highly occupied target (HOT) регионов (Kvon et al., 2012). Как определяется паттерн доступности хроматина остается неизвестным. В одном случае регуляции Dll с помощью abdominal Hox белков Ubx и AbdA, было показано, что Hox белки модулируют конформацию хроматина; реляксация плотно упакованной конфигурации была обнаружена в клетках, лишенных Ubx и AbdA, которая, скорее всего, действует путем контроля ассоциации GAGA-associated factor (GAF; также известного как Trl) и гистон H2Av-содержащих нуклеосом (Agelopoulos et al., 2012). Это подтверждает позитивную роль Hox белков в определении свойств хроматина, критических для регуляции генов.
Соединение Hox белков с регуляторами хроматина также подтверждено в ряде др. находок. Напр., мотивы связывания для GAF, Trithorax (Trx) Polycomb group (PcG) белков избыточно представлены в Ubx-преципитированных геномных фрагментах (Agrawal et al., 2011), а CBP/p300 (Crebbp/Ep300) histone acetyltransferase (HAT) обнаруживается в Hoxa9 ChIPed фрагментах (Huang et al., 2012). Кроме того, Hoxb1-Pbx-Meis комплекс играет роль в контроле транскрипции hoxb1a у рыб данио, это было показано путем определения уровня ацетилирования гистона H4 путем контроля рекрутирования histone deacetylase (HDAC)/CBP на промотор hoxb1a (Choe et al., 2009). Наконец, репрессивное действие, которое Pbx1 оказывает на остеобластогенное действие Hoxa10, как было установлено, использует привлечение Runx2 и CBP/p300 и снижение метилирования гистона H3K9 (Gordon et al., 2011).
Итак, доступные данные показывают, что взаимодействие между Hox белками и регуляторами и особенностями хроматина является ключом к Hox-обеспечиваемому контролю регуляции генов. Понимание, того, как разнообразие этих взаимодействий действует, насколько специфичным оно может быть для каждого Hox белка и как оно вносит вклад, чтобы обеспечивать специфичность Hox транскрипционных реакций, остается неизвестным.
Также важным является установить, как Hox белки взаимодействуют с общим аппаратом транскрипци. Ранние генетические данные идентифицировали мутации в субъединицах RNA polymerase (Pol) II, которые фенокопировали гаплонедостаточность Ubx (Mortin et al., 1992), вместе с in vitro реконструкцией транскрипционного потенциала Ubx, базирующейся на S2 или Kc ядерных экстрактах (Johnson and Krasnow, 1990, 1992), подтвердили, что Ubx может непосредственно взаимодействовать с компонентами генерального аппарата транскрипции, возможно путем регуляции сборки пре-иниационного комплекса. Сравнительно недавно выявились дополнительные связи. HX мотив в Antp, как было установлено, устанавливает функциональные контакты с Bip2 (TAF3), TATA-связывающим с белком ассоциированным фактором (Prince et al., 2008). Mediator комплекс, который является основным компонентом аппарата RNA Pol II, также оказался сцепленным с Hox белками, с Med13 и Med19 субъединицами, необходимыми для собственно функции Hox генов (Boube et al., 2000, 2014). Прямое физическое взаимодействие далее было идентифицировано для Med19, которое, по-видимому, связано с активацией гена (Boube et al., 2014). Точный вклад этих взаимодействий в контроль транскрипции Hox белков еще предстоит установить.
Механистическая информация о том, как Hox белки контролируют транскрипцию, недавно получена путем дальнейшего исследования регуляции hoxb1a у эмбрионов рыб данио (Choe et al., 2014). Изучение динамики Hoxb1, Pbx и Meis белков на промоторе hoxb1a показало, что Pbx/Meis ассоциация предшествует таковой с Hoxb1b, но недостаточна для активации транскрипции, даже с помощью уже рекрутированной RNA Pol II. Последующее рекрутирование Hoxb1b высвобождает сбалансированную RNA Pol II, делая возможной эффективную транскрипцию. Эта роль в контроле RNA Pol II контрастирует с известной ролью Hox белков в сборке пре-иниационного комплекса, подтверждая, что Hox белки могут контролировать некоторые аспекты транскрипции.
Т.о., хотя мы всё ещё находимся на ранней стадии, функциональные данные позволяют в основном очертить функции Hox белков. Рассмотрение Hox interactomic данных идентифицировало большое количество часто ещё неисследованных сиквенс-специфических транскрипционных факторов, регуляторов хроматина и компонентов генерального транскрипционного аппарата (Fig. 6 and Table 2). Это расширяет перспективы, представляемые функциональными исследованиями и составляет основу для более широкого изучения взаимодействий между Hox белками и дополнительными транскрипционными факторами, а также их взаимодействия с регуляторами хроматина и общего аппарата транскрипции.

Fig. 6. An overview of Hox protein interactors.

Table 2. Hox-interacting proteins

Intra-PG comparisons: from functional equivalence to neo- or subfunctionalisation


Данные, рассмотренные выше, предоставляют нам информацию о молекулярных механизмах действия Hox белков и подчеркивают, что наше понимание этих механизмов всё ещё слабое. Однако, важно попробовать оценить степень, с которой эта молекулярная информация транслируется в функциональные свойства. Эволюционная история Hox генов, которая представляет развертывание Hox PGs создает уникальную возможность в этой связи. PG белки, которые возникают вследствие геномных дупликаций обнаруживают существенное сходство, особенно на уровне HDs. Это привело к предположению, что Hox белки из данной PG д. быть функционально взаимозаменяемыми. Это в самом деле происходит в случае Hox PG1 и PG3 генов, где обмен генами или регуляторными элементами дает мышей с фенотипами дикого типа (Greer et al., 2000; Tvrdik and Capecchi, 2006). Такие генетические перестановки подтверждают гипотезу, что действительно паттерн экспрессии этих генов, а не активность белков, которые они кодируют, обеспечивают специфичность функций Hoxa1 и Hoxb1 или Hoxa3 и Hoxd3.
Однако, функциональная эквивалентность не всегда действует и Hox паралоги могут обнаруживать частичное изменение функции или возникновение новой функции, каждая способствует исходной уникальной функции. PG5 белки HOXA5 и HOXB5 прекрасно иллюстрируют это; в то время как HOXA5 обнаруживает ингибирующее воздействие на дифференцировку эндотелиальных клеток (Rhoads et al., 2005), его паралог HOXB5 способствует дифференцировке из предшественников (Winnik et al., 2009) и стимулирует образование сосудов и ремоделирование у мышей, моделирующих закупорку сосудов (Fessner et al., 2014). До какой степени HOXA5 и HOXB5 противоположны др. др. за счет дифференциально контролируемых общих субнаборов генов 'эффекторов' или 'реализаторов' предстоит определить, но они оба регулируют vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2; известен также как KDR) (Rhoads et al., 2005; Wu et al., 2003). Можно предположить, что хотя эти два PG5 обладают сходными, но не идентичными ДНК распознающими специфичностями, они реагируют по-разному на контекст-зависимые модуляции чтобы обеспечивать противоположные эффекты на гены мишени.
В некоторых примерах, Hox паралоги обнаруживают смешанное поведение. Это наблюдается при наличии общих и специфических функций Hox PG9 паралогов во время спецификации спинальных двигательных нейронов (Jung et al., 2014). Двигательные нейроны спинного мозга организованы в столбы и пулы и их спецификация зависит от активности Hox генов, принадлежащих к PGs 6, 8 и 9, которые обнаруживают взаимные репрессивные активности (Dasen and Jessell, 2009). Hoxc9, в частности, является критическим для спецификации двигательных нейронов, нацеленных на торакальную область, и он обладает глобальной репрессивной активностью в направлении передних Hox генов (Jung et al., 2010). Каждый мышиный Hox PG9 белок, по-видимому, способен репрессировать Hox гены, специфицирующие плечевые, верхние конечности иннервирующие двигательные нейроны. Однако, только Hoxa9 и Hoxc9 способны репрессировать выбор судьбы плечевых двигательных нейронов собственно и способствуют образованию столбов двигательных нейронов, участвующих в иннервации торакса. Это означает, что Hoxa9 и Hoxc9 функционально эквивалентны в обеспечении спецификации торакальных двигательных нейронов и что также обнаруживают общую, но недостаточную способность PG9 Hox белков репрессировать 'плечевые' Hox гены, так что Hoxb9/d9 не являются взаимно заменяемыми с Hoxa9/c9 в отношении управления спецификации двигательных нейронов (Jung et al., 2014).
Hoxa2 и Hoxb2 представляют дополнительный пример смешанного поведения. Они обладают общей способностью связывать и регулировать определенные гены мишени и энхансеры в заднем мозге (Alexander et al., 2009; Lampe et al., 2008;Matis et al., 2007), но они обнаруживают противоположное действие в регуляции клеток предшественников олигодендроцитов на этой территории. В самом деле, Hoxa2 ингибирует, в то время как Hoxb2 способствует образованию олигодендроцитов на ранних стадиях. Отсуствие Hoxa2 или Hoxb2 поэтому вызывает противоположные фенотипы в терминах формирования паттерна олигодендроцитов (Miguez et al., 2012). Однако, до какой степени эти противоположные активности базируются на прирожденных и специфических свойствах Hoxa2 и Hoxb2, и зависит ли специфичный для ромбомеров клеточный контекст в отношении комбинации уровней экспрессии Hoxa2 в противовес Hoxb2, которые действительно вносят вклад в разные эффекты, вызываемые этими белками на олигодендроциты, неизвестно.
Сходным образом, возникновение новых или подразделение имеющихся функций и функциональная эквивалентность общие генам в PG2 или PG9 группах подтверждает, что изменчивость последовательностей в PG может быть источником возникновения новых и подразделения старых функций и что в зависимости от контекста один и тот же белок может обладать функциональным разнообразием. Подобная зависимая от контекста активность напоминает модель латентной специфичности, согласно которой объясняется избирательность связывания посредством взаимодействия с Exd в in vitro Selex-Seq условиях (Slattery et al., 2011b). Эта модель предполагает, что в то время как Hox белки действуют в отдельности, то обнаруживают низкую специфичность, взаимодействие с Exd раскрывает латентную прирожденную Hox специфичность. В случае паралогов функции Hox белков, предполагается, что расхождения между паралогами Hox белками недостаточны, чтобы сделать их функционально отличающимися, но ассоциация с др. белками может раскрыть латентные функциональные различия, которые затем приводят в новым или расхождению старых функций.

Conclusions


Examining Hox protein function at both a cellular and molecular scale allows us to draw interesting correlations between the molecular modalities of Hox proteins and their functional properties during development. This certainly suggests that we are on the correct track to decipher principles and mechanisms beyond the specific and diverse functions that Hox proteins perform. It is also clear that large-scale genomic, transcriptomic and proteomic/interactomic approaches can provide further insights into Hox protein functions and modes of action. However, our current genomic and transcriptomic view is restricted to just a few Hox proteins, and the available data can only rarely be reliably integrated into a biologically relevant picture, as data most often concern different cellular material and developmental stages. Expanding the realm of large-scale genomic and transcriptomic data is thus essential, and will be of maximum benefit if generated in a manner that will optimise cross-comparisons.
Besides specific functions, evidence is now also emerging that proteins from distinct PGs can perform similar or even identical functions. This is illustrated in Drosophila by the inhibition of autophagy that is driven similarly by most Drosophila Hox proteins (Banreti et al., 2014) and by the repression of the limb-promoting gene Dll by the Ubx, AbdA and posterior AbdB central proteins (Sambrani et al., 2013). Similar situations exist in vertebrates too: the functional equivalence of Hox5-8, which converge in specifying brachial motoneurons in the mouse spinal cord (Lacombe et al., 2013); the promotion of haematopoietic stem and progenitor cell expansion and inhibition of differentiation by Hoxb3, Hoxb4/B4 and Hoxb6 (reviewed by Alharbi et al., 2013); and the control of embryo implantation in mammals by HOXA9-11 and HOXD10 (Lu et al., 2008; Xu et al., 2014). It is tempting to speculate that such generic Hox functions might result from non-discriminative modes of action, consistent with widespread Hox genomic DNA binding, possibly without or with limited help from assisting protein partners. These generic functions might alternatively be seen as the result of functional convergence arising from distinct molecular modalities. Although less intuitive, this is supported by cooperative versus antagonistic partnership with Exd for Ubx- and AbdB-mediated repression of Dll (Sambrani et al., 2013). Investigating more broadly and understanding the molecular modalities of such generic Hox functions is an important objective and should uncover novel aspects of Hox protein modes of action.
There is also much to be learned from considering Hox protein function within a larger framework, including a wider partnering potential with other sequence-specific transcription factors, the general transcription machinery and chromatin regulators. It will also be crucial to investigate possible links between Hox proteins and the nuclear architecture, which is known to impact transcriptional regulation (Schneider and Grosschedl, 2007). Proteomic/interactomic data are available for a set of Hox proteins, but candidate Hox partnerships can rarely be traced back to specific cellular and developmental contexts. The full potential of these data will only be grasped once the functional relevance of protein-protein physical associations have been established. This will also clarify how such partnerships contribute to functional versatility, and how versatility in Hox protein function relates to cellular contexts. Integrating such large-scale data sets will be essential for determining whether the prevailing concepts and mechanisms are sufficient to explain the many facets of Hox protein function.