同源异形基因

同源异形基因（Hox genes）是生物体中一类专门调控生物形体的基因，一旦这些基因发生突变，就会使身体的一部分变形。其作用机制，主要是调控其他有关于细胞分裂、纺锤体方向，以及硬毛、附肢等部位发育的基因。Hox基因属于同源框家族的其中一员，在大多数Hox基因中，会含有一段约180个核苷酸的同源异型盒，可以转录出含有约60个氨基酸序列，称为同源异形域。

Hox基因的特色之一，是其排列顺序与其作用顺序、作用位置相关，例如位在较靠近3'端（DNA的其中一端）的基因，作用的位置较靠近头部。而且动物界中的成员，皆拥有类似的Hox基因排列方式、产物与作用方式。Hox基因对于动物型态的影响，能使演化生物学研究得到关于型态转变的线索。

## 调控型态的方式

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各种生物的Hox基因之表现方式类似，靠近3'端的基因会表现于动物的身体前部，靠近5'端则表现于身体的后部。除了这种规律之外，Hox基因又会因为一些原因，而在不同状态下有不同的表现。

当Hox基因下游调控的基因改变时，会使个体产生变异，例如果蝇的平衡杆（halteres）与蝴蝶后翅的差别，就是源于两者的Ubx基因受到的不同调控而产生。在演化的过程中，蜻蜓的Ubx下游基因调控阶层（regulatory hierachy）与原始祖先较为相似，而鳞翅目（如蝴蝶）与双翅目（如果蝇），则改变了一些对下游基因的调控方式。蜻蜓、蝴蝶与果蝇的调控阶层比较如下表，红色字表示受到活化的基因，灰色字表示此类昆虫并不活化此基因：

昆虫种类｜上游Hox基因｜调控阶层

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

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

果蝇（双翅目）｜Ubx｜a1 → a2 → a3b1 → b2 → b3c2 → c3 → c4d1 → d2 → d3

除了调控方式的差异之外，当Hox基因本身改变，个体发育也会受到影响，例如Ubx基因发生变化时，会影响自身性质，进而影响与其他基因的交互作用，使动物产生不同外型。若是改变Hox基因在某一区域的表现状况，则会使得此区域的发育产生变化，例如当Ubx与Abd-A所表现的蛋白质没有作用时，会使Dll诱导前肢发育。不同区域的Hox基因表现变化，也会导致不同区域发展出不同的构造，例如Ubx与Abd-A在不同部位的交互作用方式差异，是造成不同附肢形成的原因。此外，基因的表现量也会影响发育，例如Hox基因数目不同的昆虫与脊椎动物之间的差异。

## 各物种的Hox基因

### 果蝇

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果蝇（这里指黑腹果蝇）的Hox基因皆位在其3号染色体右臂上，可分为两个群集。一群称作双胸复合群（Bithorax complex，BX-C），此群集中的Ubx基因若突变，会使第3胸节（T3）变成第2胸节（T2），而且由于正常状态下的翅膀是长在T2之上，因此这样的突变同时会使果蝇长出两对翅膀，并使原本长在T3上的平衡棒（haltere；双翅目昆虫特有的构造，源自其中一对翅膀）消失。此突变最早是卡耳文·布里吉斯（Calvin Bridges）于1915年发现。

另一群基因则称为触足复合群（Antennapedia complex，ANT-C），此基因群集中的Antp基因发生突变时，会使长在头上的触角替换成第二对腿。另外pb基因的突变，则是会使头上的口器变成腿。

两群基因一开始的研究成果，皆是由观察它们对成虫的影响而得。较晚的研究则发现，对果蝇的幼虫（蛆）来说，BX-C影响了T3到A8部分的发育（果蝇分节：头、T1~T3、A1~A8、性器），其中主要的影响位置是T3到A1。ANT-C则是影响头部以及T1到T2部分。

群集名称｜位置｜基因（名称意义）｜影响位置

ANT-C｜靠近3'端｜lab（labial；唇）pb（proboscipedia；口器足）Dfd（Deformed；畸形）Scr（Sex combs reduced；性梳减少）Antp（Antennapedia；触足）｜身体前部

BX-C｜靠近5'端｜Ubx（Ultrabithorax）AbdA（Abdominal A）AbdB（Abdominal B）｜身体后部

### 人类

人类的Hox基因可分成4个基因群集，分别位在不同的染色体上，这些染色体分别是7号、17号、12号与2号。人类的Hox基因在书写时以全大写表达，例如HOXA、HOXB、HOXC与HOXD。此外，这些基因可分成13个平行同源家族（paralogous family），以数字表示，例如HOXA4，HOXB4，HOXC4与HOXD4。这些家族成员的DNA序列与转录出来的蛋白质序列类似。

其中HOXD13的突变会造成多指症（synpolydactyly）；而HOXA13的突变则会导致手足生殖器综合征（hand-foot-genital syndrome，HGFS）。另外HOXB群集中的8个成员会影响红血球的发育，其中HOXB4与HOXB7又会影响T细胞与B细胞。

位置｜基因群集｜影响头部｜影响颈部｜影响躯干｜影响四肢

7号染色体7p15 ~ p14｜HOXA｜HOXA1HOXA2HOXA3HOXA4｜HOXA5HOXA6｜HOXA7｜HOXA9HOXA10HOXA11HOXA13

17号染色体17q21 ~ q22｜HOXB｜HOXB1HOXB2HOXB3HOXB4｜HOXB5HOXB6｜HOXB7HOXB8｜HOXB9

12号染色体12q12 ~ q13｜HOXC｜HOXC4｜HOXC5HOXC6｜HOXC8｜HOXC9HOXC10HOXC11HOXC12HOXC13

2号染色体2q31 ~ q32｜HOXD｜HOXD1HOXD3HOXD4｜HOXD8｜HOXC9HOXD10HOXD11HOXD12HOXD13

### 老鼠

老鼠的Hox基因特性与人类相似，分别位在6号、11号、15号与2号染色体上，书写时只有首字母大写，例如Hoxa-11与Hoxd-11。

第3平行同源家族，也就是Hoxa-3、Hoxb-3与Hoxd-3基因，主要作用是产生颈部的脊椎骨。另外Hoxa-11或是Hoxd-11其中一的基因发生突变时，会使桡骨（radius）或尺骨（ulna）产生轻微缺陷。若是两个基因同时突变，则会使两块骨头皆退化。

位置｜基因群集｜基因

6号染色体｜Hoxa｜Hoxa-1Hoxa-2Hoxa-3Hoxa-4｜Hoxa-5Hoxa-6｜Hoxa-7｜Hoxa-9Hoxa-10Hoxa-11Hoxa-13

11号染色体｜Hoxb｜Hoxb-1Hoxb-2Hoxb-3Hoxb-4｜Hoxb-5Hoxb-6｜Hoxb-7Hoxb-8｜Hoxb-9

15号染色体｜Hoxc｜Hoxc-4｜Hoxc-5Hoxc-6｜Hoxc-8｜Hoxc-9Hoxc-10Hoxc-11Hoxc-12Hoxc-13

2号染色体｜Hoxd｜Hoxd-1Hoxd-3Hoxd-4｜Hoxd-8｜Hoxd-9Hoxd-10Hoxd-11Hoxd-12Hoxd-13

## 参考文献

- Daniel Hartl & Elizabath W. Jones. Genetic. 6th ed. Jones and Bartlett Publishers. ISBN 0-7637-1511-5
- 大石正道。《图解人类基因组的构造》。林碧清译。世茂出版社。2002年12月。ISBN 957-776-432-0
- Sean B. Carrol。《蝴蝶斑马与胚胎：探索演化发生学之美》（Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo）。王惟芬译。商周出版。2006年。ISBN 978-986-124-774-8
- 生命经纬 - ANT-C复合座位的结构和功能
- Brian E. Staveley - Evolution and Development
- 清华大学 - Organogenesis
- 郭晓卉 - 同位序列基因与细胞分化及器官发育
- 清华大学 - Developmental Biology
- Leland H. Hartwell. et al. Genetics - From gene to genome. McGraw-Hill. ISBN 0-07-540923-2

## 外部链接

- 生物通 - 新发现 Hox基因成簇是多余的？
- 科景 - 生物：一个就够了
- 科景 - 生物：重造热血奔腾的斑马鱼
- Society for Neuroscience - Hox Genes and Birth Defects
- A brief overview of Hox genes