ホメオティック遺伝子
ホメオドメインタンパク質のモチーフ(繰返し節の特徴)は、広大な遺伝距離に渡って非常に保守的(異なる種の間で変化が少ない)である。ホメオティックタンパク質の機能的同一性は、ハエのホメオティックタンパク質をニワトリのそれと入れ替えても、ハエは完全に機能するという事実が示している 。 これは、その最も近い共通祖先の年代が6.7億年以前であるにもかかわらず 、ニワトリの任意のホメオティックタンパク質の遺伝子の一つと、それに対するハエの相似遺伝子は、実際に互いに交換可能なくらい似通っているということを意味する。
タンパク質のアミノ酸配列が高度に保存されているにもかかわらず、DNAの塩基配列は、コドンの縮退のために、やや保存度が低い(つまり、同じアミノ酸に対応する遺伝コードが複数存在する場合があるということである)。この高度な保存性の理由は、これらのタンパク質の機能に関係している。ホメオティック遺伝子群は組織の基本的な空間的レイアウトを用意する。これによって、目は腹部ではなく頭部に、脚は頭部ではなく側部に形成されることになる。もし、たとえ1つの突然変異がDNAに生じても、これらの遺伝子群は組織にドラスティックな影響を与えることになるので(後述の「ホメオティック突然変異」参照)、これらの遺伝子の長い年月に渡る変化は相対的に小さいのである。
ホメオティック遺伝子群の不正確な発現は、個体の形態に大きな変化を引き起こす。1894年にウィリアム・ベイトソンは、花の雄しべがたまに誤った位置に発現することに気づき (彼は本来なら花弁が生える位置に雄しべが生える花のサンプルを発見した)、これが最初のホメオティック突然変異と同定された。
1940年代末にエドワード・ルイスは、キイロショウジョウバエにボディパーツの奇怪な再配置を発生させるホメオティック突然変異の研究を開始した。脚の発現をコードする遺伝子の突然変異が奇形や死を引き起こす。例として、アンテナペディア遺伝子の突然変異はハエの頭部に触角ではなく脚を生じさせる。
キイロショウジョウバエについての他の有名な例は、第3胸節を規定する Ultrabithorax ホメオティック遺伝子の突然変異である。正常な状態では、この体節は1対の脚と1対の平均棍 (翅が退化した器官) を持つ。変異体では、機能する Ultrabithorax タンパク質を欠いており、第3胸節はその直前の第2胸節 (1対の脚と1対の完全は翅を持つ) と同一の構造を発現することになる。これらの変異体は、自然の状態の個体集団でも現れることがあり、これがホメオティック遺伝子の発見に結びついた。
ホメオティック遺伝子群により生産されたタンパク質は、転写因子 (transcription factor) として知られるタンパク質のクラスに属し、これらは全てDNAに結合する機能を持ち、これによって遺伝子の転写を制御できる。 ホメオボックスの塩基配列がコードする、60のアミノ酸から成るヘリックスターンヘリックスタンパク質はホメオドメインフォールド(あるいは単に「ホメオドメイン」)として知られるものである。
このホメオドメインは、エンハンサーと呼ばれる特定の塩基配列に結合し、転写をオン・オフする、いわばスイッチであり、結合により遺伝子を活性化する場合も抑制する場合もある。同一のホメオティックタンパク質が、ある遺伝子では抑制的に働き、他の遺伝子では促進的に働くことが可能である。
例として、ハエ (キイロショウジョウバエ、Drosophila melanogaster) では、ホメオティック遺伝子の生産タンパク質であるアンテナペディア (Antennapedia) は、脚と翅を含む第2胸節の構造を規定している遺伝子群を活性化させるが、目と触角の形成に関係している遺伝子群を抑制する。従って、アンテナペディアタンパク質が存在する部位では、どこであろうと目と触角ではなく脚と翅が形成されることになる。ホメオボックスタンパク質群で制御されている遺伝子群は リアライゼーター遺伝子 (realisator genes) と呼ばれており、これらのタンパク質は、組織、器官、構造(脚、目、翅など)を作るセグメントポラリティー遺伝子群 (segment polarity genes) が生産する。