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Lexikon der Neurowissenschaft: Homöobox-Gene

Homöobox-Gene [von griech. homoiosis = gleichartig, ähnlich], E homeobox genes, eine Klasse von Genen (Gen), welche durch eine spezifische DNA-Sequenz von 180 bp, die sogenannte Homöobox, charakterisiert sind, und deren Produkte als Transkriptionsfaktoren eine wesentliche Rolle in der genetischen Steuerung der ontogenetischen Entwicklung spielen. Die Homöobox selbst codiert für eine Polypeptidsequenz von 60 Aminosäuren, die als Homöodomäne bezeichnet wird und nur einen Teil der wesentlich größeren Homöodomänen-Proteine ausmacht. Untersuchungen der isolierten Homöodomäne ergaben, daß dieses Polypeptid wie die genregulatorischen Proteine der Prokaryonten eine Helix-loop-helix-Struktur aufweist und mit hoher Affinität an spezifische DNA-Sequenzen bindet, die sich in den Kontrollregionen der zu steuernden Gene befinden ( siehe Zusatzinfo ). – In der Neurobiologie kommt den Homöobox-Genen eine bedeutende Rolle zu, da sie an allen wesentlichen Entwicklungsprozessen des Nervensystems als Instruktoren und Regulatoren von Genkaskaden entscheidend beteiligt sind und dadurch die Bildung und Differenzierung von Organen, Segmenten und Zelltypen des Nervensystems steuern. So sind z.B. die Gene der otd/Otx-Genfamilie (orthodenticle), der Pax6-Genfamilie, der HOM-C/Hox Genfamilie (HOM-C, Hox) und der LIM-1 Genfamilie (apterous, LIM-Homöobox-Gene) für die Bildung und Differenzierung bestimmter Gehirnareale sowie z.B. für die Spezifizierung von bestimmten Typen von Motoneuronen und deren axon guidance sowohl bei den Vertebraten als auch den Invertebraten verantwortlich.

Homöobox-Gene

Die Bindungsspezifität beruht auf bestimmten Aminosäureseitenketten in der Homöodomäne, die bestimmte Basen in der DNA des Zielgens berühren. Der Position 50 innerhalb der Homöodomäne kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da sie wesentlich die Bindungsspezifität der Homöodomänen-Proteine mitbestimmt. Entsprechend der spezifischen Aminosäure an dieser Position werden die Homöodomänen-Proteine in 3 Strukturklassen unterteilt: Q-50 (Glutamin), S-50 (Serin) und K-50 (Lysin). Homöobox-Gene wurden inzwischen in der Hefe und allen bislang untersuchten Tierstämmen gefunden, und es zeigte sich, daß ihre jeweilige Sequenz im Verlauf der Evolution außerordentlich konstant geblieben ist. Entsprechend ihrer Sequenzhomologien werden diese orthologen Homöobox-Gene daher in Familien unterteilt. Es gibt allerdings auch Fälle, wie z.B. die homöotischen Gene, in denen mehrere Homologe eines ursprünglichen Homöobox-Gens in derselben Spezies vorhanden sind; man spricht dann von Paralogen.

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