H o m e o t i c G e n e s a n d D e v e l o p m e n t H o m e o t i c g e n e s a r e g e n e s t h a t c o n t r o l t h e p a t t e r n o f b o d y f o r m a t i o n i n e m b r y o n i c d e v e l o p m e n t . H o m e o t i c g e n e s e q u e n c e s c o n t a i n a n e v o l u t i o n a r i l y h i g h l y c o n s e r v e d r e g i o n , c a l l e d t h e homeobox, w h i c h d i r e c t s d e v e l o p m e n t i n o r g a n i s m s a s d i v e r s e a s f u n g i , p l a n t s , a n d a n i m a l s . A h o m e o b o x i s a b o u t 1 8 0 b a s e p a i r s l o n g a n d e n c o d e s t r a n s c r i p t i o n f a c t o r s r e s p o n s i b l e f o r s w i t c h i n g o n g e n e e x p r e s s i o n . T h e Hox genes a r e a p a r t i c u l a r g r o u p o f

h o m e o b o x g e n e s i n a n i m a l s . T h e y a r e f o u n d i n c l u s t e r s a n d d e t e r m i n e w h e r e p a r t i c u l a r b o d y s e g m e n t s a n d l i m b s g r o w . V e r y d i s p a r a t e o r g a n i s m s s h a r e t h i s s a m e t o o l k i t o f g e n e s , b u t r e g u l a t e t h e m d i f f e r e n t l y . T h i s m e a n s t h a t l a r g e c h a n g e s i n m o r p h o l o g y o r f u n c t i o n a r e a t t r i b u t a b l e t o c h a n g e s i n g e n e r e g u l a t i o n , r a t h e r t h a n t h e e v o l u t i o n o f n e w g e n e s , a n d n a t u r a l s e l e c t i o n a s s o c i a t e d w i t h g e n e s w i t c h e s p l a y s a m a j o r r o l e i n e v o l u t i o n .

The Role of Hox Genes The Evolution of Novel Forms Hox g e n e s c o n t r o l t h e d e v e l o p m e n t o f b a c k a n d f r o n t p a r t s o f t h e b o d y . T h e s a m e g e n e s ( o r h o m o l o g o u s o n e s ) a r e p r e s e n t i n e s s e n t i a l l y a l l a n i m a l s , i n c l u d i n g h u m a n s .

Drosophila e m b r y o

H e a d T h o r a x A b d o m e n

T h e Hox g e n e s a r e l o c a t e d o n a s i n g l e c h r o m o s o m e i n Drosophila, a n d o n f o u r s e p a r a t e c h r o m o s o m e s i n m i c e . T h e d i f f e r e n t s h a d i n g i n d i c a t e s w h e r e i n t h e b o d y t h e g e n e s a r e e x p r e s s e d .

E v e n v e r y s m a l l c h a n g e s ( m u t a t i o n s ) i n t h e Hox g e n e s c a n h a v e a p r o f o u n d e f f e c t o n m o r p h o l o g y . S u c h c h a n g e s t o t h e g e n e s c o n t r o l l i n g d e v e l o p m e n t h a v e a l m o s t c e r t a i n l y b e e n i m p o r t a n t i n t h e e v o l u t i o n o f n o v e l s t r u c t u r e s a n d b o d y p l a n s . F o u r p r i n c i p l e s u n d e r l i e t h e r o l e o f d e v e l o p m e n t a l g e n e s i n t h e e v o l u t i o n o f n o v e l f o r m s :

Evolution works with what is already present: N e w s t r u c t u r e s a r e m o d i f i c a t i o n s o f p r e - e x i s t i n g s t r u c t u r e s .

Multifunctionality a n d redundancy F u n c t i o n a l r e d u n d a n c y i n a n y p a r t o f a m u l t i f u n c t i o n a l s t r u c t u r e a l l o w s f o r s p e c i a l i z a t i o n a n d d i v i s i o n o f l a b o r t h r o u g h t h e d e v e l o p m e n t o f t w o s e p a r a t e s t r u c t u r e s .

Example: t h e d i v e r s i t y o f a p p e n d a g e s ( i n c l u d i n g m o u t h p a r t s ) i n a r t h r o p o d s .

Modularity: M o d u l a r a r c h i t e c t u r e i n a n i m a l s ( a r t h r o p o d s , v e r t e b r a t e s ) a l l o w s f o r t h e m o d i f i c a t i o n a n d s p e c i a l i z a t i o n o f i n d i v i d u a l b o d y p a r t s . G e n e t i c s w i t c h e s a l l o w c h a n g e s i n o n e p a r t o f a s t r u c t u r e , i n d e p e n d e n t o f o t h e r p a r t s .

Shifting Hox Expression H u g e d i v e r s i t y i n m o r p h o l o g y i n o r g a n i s m s w i t h i n a n d a c r o s s p h y l a c o u l d h a v e a r i s e n t h r o u g h s m a l l c h a n g e s i n t h e g e n e s c o n t r o l l i n g d e v e l o p m e n t .

D i f f e r e n c e s i n n e c k l e n g t h i n v e r t e b r a t e s p r o v i d e a g o o d e x a m p l e o f h o w c h a n g e s i n g e n e e x p r e s s i o n c a n b r i n g a b o u t c h a n g e s i n m o r p h o l o g y . D i f f e r e n t v e r t e b r a t e s p e c i e s h a v e d i f f e r e n t n u m b e r s o f n e c k v e r t e b r a e ( d e n o t e d b y t h e b l a c k o v a l s o n t h e d i a g r a m ) . T h e b o u n d a r y b e t w e e n n e c k a n d t r u n k v e r t e b r a e i s m a r k e d b y e x p r e s s i o n o f t h e Hox c6 gene ( c 6 d e n o t e s t h e s i x t h c e r v i c a l o r n e c k v e r t e b r a ) i n a l l c a s e s , b u t t h e p o s i t i o n v a r i e s i n e a c h a n i m a l r e l a t i v e t o t h e o v e r a l l b o d y . T h e f o r e l i m b ( a r r o w ) a r i s e s a t t h i s b o u n d a r y i n a l l f o u r - l e g g e d v e r t e b r a t e s . I n s n a k e s , t h e b o u n d a r y i s s h i f t e d f o r w a r d t o t h e b a s e o f t h e s k u l l a n d n o l i m b s d e v e l o p . A s a r e s u l t o f t h e s e d i f f e r e n c e s i n e x p r e s s i o n , m i c e h a v e a s h o r t n e c k , g e e s e a l o n g n e c k , a n d s n a k e s , n n n e c k a t a l l .

H o x c 6

Q S n a k e s

196

Genetic Switches in Evolution Same Gene, New Tricks T h e Hox g e n e s a r e j u s t p a r t o f t h e c o l l e c t i o n o f g e n e s t h a t m a k e u p t h e g e n e t i c t o o l k i t f o r a n i m a l d e v e l o p m e n t . T h e g e n e s i n t h e t o o l k i t a c t a s s w i t c h e s , s h a p i n g d e v e l o p m e n t b y a f f e c t i n g h o w o t h e r g e n e s a r e t u r n e d o n o r o f f . T h e d i s t r i b u t i o n o f g e n e s i n t h e t o o l k i t i n d i c a t e s t h a t it i s a n c i e n t a n d w a s i n p l a c e b e f o r e t h e e v o l u t i o n o f m o s t t y p e s o f a n i m a l s . D i f f e r e n c e s i n f o r m a r i s e t h r o u g h c h a n g e s i n g e n e t i c s w i t c h e s . O n e e x a m p l e i s t h e e v o l u t i o n o f e y e s p o t s o n t h e w i n g s o f b u t t e r f l i e s : • T h e D i s t a l - l e s s g e n e i s o n e o f t h e i m p o r t a n t master body­

building genes i n t h e g e n e t i c t o o l k i t . S w i t c h e s i n t h e Distal-less g e n e c o n t r o l e x p r e s s i o n i n t h e e m b r y o ( E ) , l a r v a l l e g s ( L ) , a n d w i n g ( W ) i n f l i e s a n d b u t t e r f l i e s , b u t b u t t e r f l i e s h a v e a l s o e v o l v e d a n e x t r a s w i t c h ( S ) t o c o n t r o l e y e s p o t d e v e l o p m e n t .

• O n c e s p o t s e v o l v e d , c h a n g e s i n Distal-less e x p r e s s i o n ( t h r o u g h c h a n g e s i n t h e s w i t c h ) p r o d u c e d m o r e o r f e w e r s p o t s .

Three switches in a fly

gene

A new switch, S, evolved in butterflies

I • J gene

C h a n g e s i n Distal-less r e g u l a t i o n w e r e p r o b a b l y a c h i e v e d b y c h a n g i n g s p e c i f i c s e q u e n c e s o f t h e Distal-less g e n e e y e s p o t

s w i t c h . T h e r e s u l t ? C h a n g e s i n e y e s p o t s i z e a n d n u m b e r .

Stichophthalma camadeva

Junonia coenia (buckeye)

T h e a c t i o n o f a t o o l k i t p r o t e i n d e p e n d s o n c o n t e x t : w h e r e p a r t i c u l a r c e l l s a r e l o c a t e d a t t h e t i m e w h e n t h e g e n e i s s w i t c h e d o n . C h a n g e s i n t h e D N A s e q u e n c e o f a g e n e t i c s w i t c h c a n c h a n g e t h e z o n e o f g e n e e x p r e s s i o n w i t h o u t d i s r u p t i n g t h e f u n c t i o n o f t h e t o o l k i t p r o t e i n i t se l f . T h e s p e c t a c u l a r eyespots o n b u t t e r f l y w i n g s ( a r r o w e d a b o v e ) r e p r e s e n t d i f f e r e n t d e g r e e s o f a b a s i c p a t t e r n , f r o m v i r t u a l l y a l l e y e s p o t e l e m e n t s e x p r e s s e d (Stichophthalma) t o v e r y f e w (Taenaris).

1 . B r i e f l y d e s c r i b e t h e r o l e o f h o m e o b o x g e n e s i n d e v e l o p m e n t :

2 . ( a ) W h a t d o e s i t m e a n w h e n t h e h o m e o b o x g e n e s a r e s a i d t o b e h i g h l y c o n s e r v e d ?

( b ) W h a t d o e s t h i s t e l l y o u a b o u t t h e e v o l u t i o n a n d t h e i m p o r t a n c e o f t h e h o m e o b o x s e q u e n c e s ?

3 . S u g g e s t w h y t h e Hox g e n e s a r e f o u n d i n c l u s t e r s ( i . e . g r o u p e d t i g h t l y t o g e t h e r ) :

4 . U s i n g a n e x a m p l e , d i s c u s s h o w c h a n g e s i n g e n e e x p r e s s i o n c a n b r i n g a b o u t c h a n g e s i n m o r p h o l o g y :

T h e T i m i n g o f D e v e l o p m e n t T i m i n g i s e x t r e m e l y i m p o r t a n t i n e m b r y o n i c d e v e l o p m e n t i f t h e b o d y i s t o d e v e l o p n o r m a l l y . C e l l s m u s t d i f f e r e n t i a t e i n t o t h e c o r r e c t c e l l a t t h e c o r r e c t t i m e a n d i n t h e c o r r e c t p l a c e . T h i s i s a c h i e v e d b y c e l l s i g n a l i n g , e i t h e r b y p r o d u c i n g a g r a d i e n t o f m o l e c u l e s t h r o u g h a s e c t i o n o f t h e e m b r y o o r b y s i g n a l i n g a s p e c i f i c c e l l t h a t t h e n s i g n a l s o t h e r c e l l s i n s e q u e n c e . C e l l s i g n a l s r e g u l a t e

s p e c i f i c t r a n s c r i p t i o n f a c t o r s t h a t i n t u r n c o n t r o l t h e d i f f e r e n t i a l g e n e e x p r e s s i o n t h a t s h a p e s e m b r y o s . T h e t i m e t a k e n f r o m t h e s t a r t o f t h i s embryonic induction t o t h e r e s p o n s e i s b e t w e e n h o u r s a n d d a y s , w h i l e t h e t i m e a c e l l c a n r e s p o n d t o a n i n d u c i n g s i g n a l i s s t r i c t l y l i m i t e d . T h e s t a t e ( r e a d i n e s s ) o f t h e r e s p o n d i n g t i s s u e i s a l s o i m p o r t a n t i n d e t e r m i n i n g t h e t i m i n g o f t h e r e s p o n s e .

Development in D r o s o p h i l a Morphogen concentrat ion and cell fate

o

^ \d 3

\d 2

\d 1

• ,

E m b r y o

D e c r e a s i n g b i c o i d c o n c e n t r a t i o n •

I n a r e g i o n o f h i g h b i c o i d c o n c e n t r a t i o n , t h e h e a d a n d a n t e r i o r s t r u c t u r e s d e v e l o p .

I n l o w b i c o i d c o n c e n t r a t i o n , t h e a n u s a n d p o s t e r i o r s t r u c t u r e s d e v e l o p .

N o r m a l e m b r y o B i c o i d m u t a n t

C e l l f a t e 3 C e l l C e l l f a t e 2 f a t e 1

If b i c o i d i s a b s e n t f r o m t h e e g g , t h e e m b r y o d e v e l o p s t w o p o s t e r i o r e n d s a n d n o h e a d . D e v e l o p m e n t s t o p s .

Morphogens a r e s i g n a l m o l e c u l e s t h a t g o v e r n t h e p a t t e r n o f t i s s u e d e v e l o p m e n t . M o r p h o g e n s i n d u c e c e l l s i n d i f f e r e n t p o s i t i o n s t o a d o p t d i f f e r e n t f a t e s b y d i f f u s i n g f r o m a n a r e a o f p r o d u c t i o n t h r o u g h a f i e l d o f c e l l s .

T h e bicoid g e n e p l a y s a n i m p o r t a n t p a r t i n t h e d e v e l o p m e n t o f Drosophila. A f t e r f e r t i l i z a t i o n , b i c o i d m R N A f r o m t h e m o t h e r i s p a s s e d t o t h e e g g w h e r e i t i s t r a n s l a t e d i n t o b i c o i d p r o t e i n . B i c o i d p r o t e i n f o r m s a g r a d i e n t i n t h e d e v e l o p i n g e m b r y o , i t s c o n c e n t r a t i o n i n c e r t a i n r e g i o n s d e t e r m i n e w h e r e t h e a n t e r i o r a n d p o s t e r i o r d e v e l o p .

Development in C a e n o r h a b d i t i s e l e g a n s A s e c o n d w a y o f i n d u c i n g c h a n g e i n e m b r y o n i c c e l l s i s t h r o u g h sequential induction. A s i g n a l m o l e c u l e r e a c h e s c e l l A , w h i c h r e s p o n d s b y d e v e l o p i n g a n d p r o d u c i n g s i g n a l B a n d s o o n .

T h e f a t e o f a l l o f C. elegans' 1 0 9 0 s o m a t i c c e l l s a r e k n o w n . 1 3 1 s o m a t i c c e l l s u n d e r g o a p o p t o s i s ( p r o g r a m m e d c e l l d e a t h ) . T h e g e n e s t h a t c o n t r o l t h e d e a t h o f t h e s e c e l l s a r e ced-3 a n d ced-4. T h e s e g e n e s a r e t h e m s e l v e s r e g u l a t e d b y t h e g e n e ced-9. T h e r e a r e t h r e e w a v e s o f a p o p t o s i s d u r i n g d e v e l o p m e n t o f C. elegans. T h e f i r s t r e m o v e s 1 1 3 o f 6 2 8 c e l l s , t h e s e c o n d r e m o v e s a n o t h e r 1 8 c e l l s , a n d t h e t h i r d r e m o v e s h a l f o f t h e d e v e l o p i n g o o c y t e s .

T h e n e m a t o d e w o r m , Caenorhabditis elegans, i s a model organism t h a t i s o f t e n u s e d i n d e v e l o p m e n t a l s t u d i e s . T h e c e l l s t h a t f o r m t h e v u l v a ( v e n t r a l o p e n i n g f o r c o p u l a t i o n a n d e g g l a y i n g ) d i s p l a y s e q u e n t i a l i n d u c t i o n . S i g n a l s f r o m t h e a n c h o r c e l l i n d u c e a c h a n g e i n c e l l P 6 p . C e l l P 6 p t h e n s i g n a l s c e l l s P 5 p a n d P 7 p t o d e v e l o p .

1 2 0

1 0 0 —

2 8 0 4-

6 0 —

4 0 - -

Apoptos is in C. elegans

E m b r y o n i c c e l l d e a t h s ( f i r s t w a v e , 1 1 3 c e l l s )

L a r v a l c e l l d e a t h s ( s e c o n d w a v e , 1 8 c e l l s ) G e r m - c e l l d e a t h s

( t h i r d w a v e )

4 0 6 0 8 0 H o u r s a f t e r f e r t i l i z a t i o n

1 2 0

1 . ( a ) D e s c r i b e t h e r o l e o f morphogens:

( b ) E x p l a i n t h e p u r p o s e o f t h e b icoid protein i n Drosophila:

2 . D e s c r i b e sequential induct ion i n C. elegans:

A p o p t o s i s : P r o g r a m m e d C e l l D e a t h Apoptosis o r p r o g r a m m e d c e l l d e a t h ( P C D ) i s a n o r m a l a n d n e c e s s a r y m e c h a n i s m i n m u l t i c e l l u l a r o r g a n i s m s t o t r i g g e r t h e d e a t h o f a c e l l . A p o p t o s i s h a s a n u m b e r o f c r u c i a l r o l e s i n t h e b o d y , i n c l u d i n g t h e m a i n t e n a n c e o f a d u l t c e l l n u m b e r s , a n d d e f e n s e a g a i n s t d a m a g e d o r d a n g e r o u s c e l l s , s u c h a s v i r u s -i n f e c t e d c e l l s a n d c e l l s w i t h D N A d a m a g e . A p o p t o s i s a l s o h a s a r o l e i n " s c u l p t i n g " e m b r y o n i c t i s s u e d u r i n g i t s d e v e l o p m e n t , e . g . i n t h e f o r m a t i o n o f f i n g e r s a n d t o e s i n a d e v e l o p i n g h u m a n e m b r y o . P r o g r a m m e d c e l l d e a t h i n v o l v e s a n o r d e r l y s e r i e s o f b i o c h e m i c a l e v e n t s t h a t r e s u l t i n s e t c h a n g e s i n c e l l m o r p h o l o g y

Stages in Apoptosis A p o p t o s i s i s a n o r m a l c e l l s u i c i d e p r o c e s s i n r e s p o n s e t o p a r t i c u l a r c e l l s i g n a l s . It c h a r a c t e r i z e d b y a n o v e r a l l c o m p a c t i o n ( s h r i n k i n g ) o f t h e c e l l a n d i t s n u c l e u s , a n d t h e o r d e r l y d i s s e c t i o n o f c h r o m a t i n b y e n d o n u c l e a s e s . D e a t h i s f i n a l i z e d b y a r a p i d e n g u l f m e n t o f t h e d y i n g c e l l b y p h a g o c y t o s i s . T h e c e l l c o n t e n t s r e m a i n m e m b r a n e - b o u n d a n d t h e r e i s n o i n f l a m m a t i o n .

N u c l e a r m e m b r a n e

C h r o m a t i n

T h e c e l l s h r i n k s a n d l o s e s c o n t a c t T h e n u c l e a r m e m b r a n e d e g r a d e s , w i t h n e i g h b o r i n g c e l l s . T h e c h r o m a t i n T h e c e l l l o s e s v o l u m e . T h e c h r o m a t i n c o n d e n s e s a n d b e g i n s t o d e g r a d e . c l u m p s i n t o chromatin bodies.

B l e b s O r g a n e l l e

Zeiosis: T h e p l a s m a m e m b r a n e f o r m s b u b b l e l i k e blebs o n i t s s u r f a c e .

N u c l e u s

T h e n u c l e u s c o l l a p s e s , b u t m a n y m e m b r a n e - b o u n d o r g a n e l l e s a r e n o t a f f e c t e d .

a n d e n d i n c e l l d e a t h . T h e p r o c e s s i s c a r r i e d o u t i n s u c h a w a y a s t o s a f e l y d i s p o s e o f c e l l r e m a i n s a n d f r a g m e n t s . T h i s i s i n c o n t r a s t t o a n o t h e r t y p e o f c e l l d e a t h , c a l l e d necrosis, i n w h i c h t r a u m a t i c d a m a g e t o t h e c e l l r e s u l t s i n p r e m a t u r e c e l l d e a t h a n d s p i l l a g e o f t h e c e l l c o n t e n t s . A p o p t o s i s i s t i g h t l y r e g u l a t e d b y a b a l a n c e b e t w e e n t h e f a c t o r s t h a t p r o m o t e c e l l s u r v i v a l a n d t h o s e t h a t t r i g g e r c e l l d e a t h . A n i m b a l a n c e b e t w e e n t h e s e r e g u l a t i n g f a c t o r s l e a d s t o d e f e c t i v e a p o p t o t i c p r o c e s s e s a n d i s i m p l i c a t e d i n a n e x t e n s i v e v a r i e t y o f d i s e a s e s . F o r e x a m p l e , l o w r a t e s o f a p o p t o s i s r e s u l t i n u n c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n o f c e l l s a n d c a n c e r s .

A p o p t o t i c b o d y

0 T h e n u c l e u s b r e a k s u p i n t o s p h e r e s a n d t h e D N A b r e a k s u p i n t o s m a l l f r a g m e n t s .

T h e c e l l b r e a k s i n t o n u m e r o u s apoptotic bodies, w h i c h a r e q u i c k l y r e s o r b e d b y p h a g o c y t o s i s .

J I n h u m a n s , t h e m e s o d e r m i n i t i a l l y f o r m e d b e t w e e n t h e f i n g e r s a n d t o e s i s r e m o v e d b y a p o p t o s i s . F o r t y o n e d a y s a f t e r f e r t i l i z a t i o n ( t o p l e f t ) , t h e d i g i t s o f t h e h a n d s a n d f e e t a r e w e b b e d , m a k i n g t h e m l o o k l i k e s m a l l p a d d l e s . A p o p t o s i s s e l e c t i v e l y d e s t r o y s t h i s s u p e r f l u o u s w e b b i n g , s c u l p t i n g t h e m i n t o d i g i t s w h e n c a n b e s e e n l a t e r i n d e v e l o p m e n t ( t o p r i g h t ) .

Regulating Apoptos is A p o p t o s i s i s a c o m p l i c a t e d a n d t i g h t l y c o n t r o l l e d p r o c e s s , d i s t i n c t f r o m c e l l n e c r o s i s ( u n c o n t r o l l e d c e l l d e a t h ) , w h e n t h e c e l l c o n t e n t s a r e s p i l l e d . A p o p t o s i s i s r e g u l a t e d t h r o u g h b o t h :

P o s i t i v e s i g n a l s , w h i c h p r e v e n t a p o p t o s i s a n d a l l o w a c e l l t o f u n c t i o n n o r m a l l y . T h e y i n c l u d e : • i n t e r l e u k i n - 2 ( • b c l - 2 p r o t e i n a n d g r o w t h f a c t o r s

Interleukin-2 is a positive signal for cell survival. Like other signaling molecules, it binds to cell surface receptors to regulate metabolism.

N e g a t i v e s i g n a l s ( d e a t h a c t i v a t o r s ) , w h i c h t r i g g e r t h e c h a n g e s l e a d i n g t o c e l l d e a t h . T h e y i n c l u d e : • i n d u c e r s i g n a l s g e n e r a t e d f r o m w i t h i n t h e c e l l i t s e l f i n

r e s p o n s e t o s t r e s s , e . g . D N A d a m a g e o r c e l l s t a r v a t i o n . • s i g n a l l i n g p r o t e i n s a n d p e p t i d e s s u c h a s l y m p h o t o x i n .

1 . T h e p h o t o g r a p h ( r i g h t ) s h o w s a c o n d i t i o n c a l l e d s y n d a c t y l y . E x p l a i n w h a t m i g h t h a v e h a p p e n e d d u r i n g d e v e l o p m e n t t o r e s u l t i n t h i s c o n d i t i o n :

2 . D e s c r i b e o n e d i f f e r e n c e b e t w e e n a p o p t o s i s a n d n e c r o s i s :

3 . D e s c r i b e t w o s i t u a t i o n s , o t h e r t h a n d i g i t f o r m a t i o n i n d e v e l o p m e n t , i n w h i c h a p o p t o s i s p l a y s a c r u c i a l r o l e :

( a )

( b )