同源異形基因

同源異形基因（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個胺基酸序列，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，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

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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：

昆蟲種類｜上游Hox基因｜調控階層

蜻蜓（蜻蛉目）｜Ubx｜a1 → a2 → a3b1 → b2 → b3c1 → c2 → c3d1 → d2 → d3

蝴蝶（鱗翅目）｜Ubx｜a1 → a2 → a3b1 → b2 → b3c1 → c2 → c3e1 → e2 → e3

果蠅（雙翅目）｜Ubx｜a1 → a2 → a3b1 → b2 → b3c2 → c3 → c4d1 → 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

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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。

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

BX-C｜靠近5'端｜Ubx（Ultrabithorax）AbdA（Abdominal A）AbdB（Abdominal B）｜身體後部

### 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，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症候群（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。

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｜HOXA1HOXA2HOXA3HOXA4｜HOXA5HOXA6｜HOXA7｜HOXA9HOXA10HOXA11HOXA13

17號染色體17q21 ~ q22｜HOXB｜HOXB1HOXB2HOXB3HOXB4｜HOXB5HOXB6｜HOXB7HOXB8｜HOXB9

12號染色體12q12 ~ q13｜HOXC｜HOXC4｜HOXC5HOXC6｜HOXC8｜HOXC9HOXC10HOXC11HOXC12HOXC13

2號染色體2q31 ~ q32｜HOXD｜HOXD1HOXD3HOXD4｜HOXD8｜HOXC9HOXD10HOXD11HOXD12HOXD13

### 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。

位置｜基因群集｜基因

6號染色體｜Hoxa｜Hoxa-1Hoxa-2Hoxa-3Hoxa-4｜Hoxa-5Hoxa-6｜Hoxa-7｜Hoxa-9Hoxa-10Hoxa-11Hoxa-13

11號染色體｜Hoxb｜Hoxb-1Hoxb-2Hoxb-3Hoxb-4｜Hoxb-5Hoxb-6｜Hoxb-7Hoxb-8｜Hoxb-9

15號染色體｜Hoxc｜Hoxc-4｜Hoxc-5Hoxc-6｜Hoxc-8｜Hoxc-9Hoxc-10Hoxc-11Hoxc-12Hoxc-13

2號染色體｜Hoxd｜Hoxd-1Hoxd-3Hoxd-4｜Hoxd-8｜Hoxd-9Hoxd-10Hoxd-11Hoxd-12Hoxd-13

## 參考文獻

- Daniel Hartl & Elizabath W. Jones. Genetic. 6th ed. Jones and Bartlett Publishers. ISBN 0-7637-1511-5
- 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
- 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
- 生命經緯 - ANT-C複合座位的結構和功能
- Brian E. Staveley - Evolution and Development
- 清華大學 - Organogenesis
- 郭曉卉 - 同位序列基因與細胞分化及器官發育
- 清華大學 - Developmental Biology
- Leland H. Hartwell. et al. Genetics - From gene to genome. McGraw-Hill. ISBN 0-07-540923-2

## 外部連結

- 生物通 - 新發現 Hox基因成簇是多餘的？
- 科景 - 生物：一個就夠了
- 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