# 同源异形基因

**同源异形基因**（英語：**Hox genes**）是生物體中一類專門調控生物形體的基因，一旦這些基因發生突變，就會使身體的一部分變形。其作用機制，主要是調控其他有關於細胞分裂、紡錘體方向，以及硬毛、附肢等部位發育的基因。Hox基因屬於同源框家族的其中一員，在大多數Hox基因中，會含有一段約180個核苷酸的同源異型盒，可以轉錄出含有約60個氨基酸序列，稱為同源异形域。

Hox基因的特色之一，是其排列順序与其作用順序、作用位置相关，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。

## 調控型態的方式

蜻蜓的前後兩對翅膀形狀相似。蝴蝶的前翅與後翅外型不同。
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。

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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| **昆蟲種類** | **上游Hox基因** | **調控階層** |
| 蜻蜓（蜻蛉目）
 | *Ubx* | a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c1 → c2 → c3 d1 → d2 → d3 |
| 蝴蝶（鱗翅目）
 | *Ubx* | a1 → a2 → a3 b1 → b2 → b3 c1 → c2 → c3 e1 → e2 → e3 |
| 果蠅（雙翅目）
 | *Ubx* | 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交互作用，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

圖下方為黑腹果蠅的8個Hox基因。左邊的5個屬於ANT-C；右邊的3個屬於BX-C。基因與果蠅身體的顏色，表示基因所影響的身體部位。
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对腿。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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| **群集名稱** | **位置** | **基因**（**名稱意義**）
 | **影響位置** |
| 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
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| BX-C
 | 靠近5'端
 | *Ubx*（Ultrabithorax） *AbdA*（Abdominal A） *AbdB*（Abdominal B）
 | 身體後部
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### 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的突變則會導致手足生殖器综合征（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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| **位置** | **基因群集** | **影響頭部** | **影響頸部** | **影響軀幹** | **影響四肢** |
| 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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| **位置** | **基因群集** | **基因** |
| 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
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| 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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* 同源框
* 發育生物學
* 演化發育生物學
* 動物胚胎發生
* 同源基因（Homeotic genes）

## 參考文獻

* （英文）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：探索演化發生學之美》（*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
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* （英文）Brian E. Staveley - Evolution and Development （页面存档备份，存于互联网档案馆）
* （中文）清華大學 - Organogenesis
* （中文）郭曉卉 - 同位序列基因與細胞分化及器官發育
* （中文）清華大學 - Developmental Biology
* （英文）Leland H. Hartwell. *et al.* *Genetics - From gene to genome*. McGraw-Hill. ISBN 0-07-540923-2

* （中文）生物通 - 新發現 Hox基因成簇是多餘的？ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
* （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
* （英文）Society for Neuroscience - Hox Genes and Birth Defects （页面存档备份，存于互联网档案馆）
* （英文）A brief overview of Hox genes