Az ízeltlábúak közötti alapvető különbségeket a testi függelékek - csápok, horgocskák szájszervek és lábak - száma és elrendeződése jelenti. A felsorolt függelékek közül valamennyi egy ektodermális eredetű ősi Arthropoda végtagtípusból alakul ki és a homeotikus gének határozzák meg, hogy hol alakulnak ki és milyen típusuk található egyes szegmenteken. A Drosophilánál pl. a BX-C géntermékei elnyomják a lábak kialakulását az abdomenen azáltal, hogy represszálják a Distal-less (Dll) gént, amely a láb proximo-distalis tengelyének kialakulásához szükséges; az Antp fehérje viszont elősegíti a láb, míg elnyomja az antenna kialakulását a második tori szegmenten.

A homeotikus gének nem a végtagok kialakításához szükségesek - ez a képesség minden szegmentnek sajátja - a homeotikus gének vagy elnyomják a végtag kifejlődését, vagy megváltoztatják, egyedi függelékek kialakulását segítve elő 36. ábra

A repülő életmódra való áttérés volt a rovarok legfontosabb "újítása", ez tette lehetővé a legsikeresebb állati alosztály, a Pterygoták kirajzását. Mi volt a szerepe a Hox géneknek a szárny kialakulásában? A válasz részben fosszilizálódott állatok, részben a Drosophila fejlődésének tanulmányozásán alapul: a szárnyak kialakulásában a Hox géneknek valószínűleg nem volt szerepük. A Drosophilánál és minden Pterygotánál a szárnyak a második torszelvényen alakulnak ki, ami az Antennapedia gén doménje. Az Antp gén hiányában azonban mind az imágókorongok (imaginális diszkuszok), mind a szárnyak normálisan fejlődnek, ami amellett szól, hogy a gén mégsem része a szárnyat kialakító fejlődési programnak. A fosszíliák ismeretében ez a tény még kevésbé meglepő: amikor a szárnyak megjelentek, jelen voltak minden tori és abdominális szegmenten. A szárnyak jelenlétét tehát eredetileg sem pozitívan, sem negatívan nem korlátozták a homeotikus gének.

A Pterygoták fejlődésének második szakaszában aztán a homeotikus gének fontosakká váltak mint a szárnyak kialakulásának represszorai és módosítói (modifierjei). Olyan rendek jelentek meg, amelyeknek abdomenjén már nem voltak szárnyak és eltűntek a szárnyak az első tori szelvényről is. Az elmondottak alapján homeotikus szabályozásra gondolhatunk, és a Drosophilában a BX-C (Ubx, abd-A, Abd-B) és Scr gének ténylegesen elnyomják a szárnykezdemények kialakulását az említett testszelvényeken.

A legyeknél, amelyek egy pár szárnyat hordoznak a második torszelvényükön, és egy kis függeléket, az ún. halterát a harmadikon, az Ubx gén represszálja a billér (haltera) méretet, és módosítja fejlődését, így érthető, hogy az Ubx-mutációkban a billér szárnyra jellemző jegyeket mutat, pl. felületén szőr jelenik meg, alaki transzformációkon esik át, sőt, három Ubx-szabályozó elem együttes mutációja tökéletes morfológiájú szárnnyá alakítja 37. ábra.

A rovarszárnyak különbözővé válnak

A különféle rovarok első szárnyai közötti különbségek, úgy tűnik, függetlenek a homeotikus génektől. A különböző rovarok hátsó szárnyainak különbözősége minden bizonnyal visszavezethető az Ubx target génjeinek különbözőségére a különféle fajokban. Ha az Ubx target génjeinek száma valóban olyan nagy, mint azt sok vizsgálat sugallja, könnyű elképzelni, hogy a fajok között nagy különbözőségek lehetnek ezen a téren, ill. könnyen kialakulhatnak eltérések. A különbségek ezek szerint jórészt előállhatnak úgy, hogy bizonyos gének szabályozó régióiban (cisz-regulátor szekvenciáiban) elvesznek vagy keletkeznek Ubx kötőhelyek.

Az elmondottak alapján tehát a homeotikus gének nem alkotnak olyan programot, amely a szárnyak vagy lábak kialakítására utasítana, hanem úgy változtatják meg a fejlődési programot, hogy más típusú szerv keletkezik. Az új szervek kialakulásához tehát nem új gének, hanem új szabályozási kölcsönhatások vezetnek.

Drosophilában az Ubx a fejlődő halterában fejeződik ki, míg lepkében a hátsó szárnyban. Mindkettőnek a morfológiájában meghatározó az Ubx, de más-más target géneket irányít. A különbségek ezek szerint jórészt előállhatnak úgy, hogy bizonyos gének szabályozó régióiban (cisz-regulátor szekvenciáiban) elvesznek vagy keletkeznek Ubx kötőhelyek, és maga a szárnyat kialakító program is változik.

Számos rovarfaj lárváin találhatók abdominális lábak, ún. előlábak (proleg) (ábra), amelyek atavisztikusnak számítanak. Ilyen lábak jelen voltak a rovarok őseinél, így lehetséges, hogy az előlábak azért jelentek meg, mert az ősi láb fejlődési program gátlása megszűnt. A jellegzetes előlábat fejlesztő Lepidopterák esetén vizsgálták a Hox-gének kifejeződését és azt találták, hogy az abd-A gén kifejeződése megváltozik az embriogenezis folyamán. A gén kezdeti kifejeződési mintázata megegyezően a többi rovaréval, az elülső potrohszelvények egészére kiterjed, majd a gén későbbiekben kis foltokban kikapcsol az első négy potrohszelvényben. Ahol a gén nem fejeződik ki, a végtagot kialakító gének aktiválódnak és előlábak alakulnak ki. Az előlábak eloszlása más rendekben is valószínűsíti, hogy kialakulásukban a homeotikus gének szabályozásának megváltozása játszhat szerepet.

Az Ubx magas szintje represszálja a szőrképződést, szabályozó szakaszainak változásaival máshol-máshol fejeződik ki magas szinten a különböző Drosophila fajokban, így máshol vannak a „kopasz völgyek” is a lábakon 38. ábra.

Hox gének és a gerincesek evolúciója

A gerincesek evolúciója során a gerinces testterv számos módosuláson esett át. A fej mai formájának kialakulása, a négylábúság, majd a másodlagosan lábatlan formák megjelenése, a sokféle arányú testtengely drámaian példázzák a széles skálájú morfológiai evolúciót.

A Hox gének szerepet játszanak a koponya fejlődésében, az agytörzs, a testtengelyek és a végtagok kialakulásában és még sok más, gerincesekre jellemző folyamatban.

A kérdés most is felvetődik: köthető az új struktúrák megjelenése új gének megjelenéséhez? Hogyan változtak az új struktúrák az evolúció során?

Egy adott struktúra, mint pl. a végtag kialakulása esetén nagyon megnehezíti a mutáns fenotípusok elemzését, hogy

A gerincesek rokonainak, elsősorban a primitív Chordatáknak és maguknak a gerinceseknek a tanulmányozása sok olyan esetre világított rá, amikor a Hox-géneknek szerepük lehetett a gerinces evolúcióban.