Hox 轉錄因子是個大家族，在胚胎發育（embryogenesis）中藉由調控其下游目標基因的表現提供每個體節特徵以及區塊的識別性。以果蠅（Drosophila melanogaster）為例，Sex combs reduced（Scr）決定了前胸體節的特徵，而 Ultrabithorax（Ubx） 和 abdominalA（AbdA）、 abdominalB（AbdB）共同負責了腹部的體節表現（如圖）。其中 Ubx 正向調控了腹部第一體節（A1） Shavenbaby（svb）的表現，而其餘腹部體節則由 Ubx 和 AbdA 共同調控。svb 是影響果蠅體節上毛狀體（Trichome）發育最重要的控制基因，若無法活化則會喪失該體節的毛狀體。
Hox 調控體節發育的機制精準得令驚嘆，不過卻一直存在著一個令科學家們疑惑的難題 ——「 Hox 專一性悖論」。所有的 Hox 蛋白都有類似的 DNA 結合位（DNA-binding domain），稱為 homeodomain，是含大約 60 個胺基酸的蛋白質結構，特別是直接接觸到 DNA 的胺基酸序列有很高的相似性。由此可推論不同 Hox 蛋白對於相同的 DNA 序列皆有相似的高親和力，這個理論也已經有 In vitro 的實驗可證明 [3]。然而，每個 Hox 蛋白有著各自的目標基因，若所有 Hox 蛋白都對相同的序列有極高親和力，則其專一性從何而來？
為找出這個問題的答案，科學家們自然而然地想到 homeodomain 之外的胺基酸序列，他們推測藉由與多樣的輔因子（cofactor）交互作用，能夠賦予 Hox 蛋白的專一性。然而，到目前為止，只有 2 種輔因子被發現，分別是 Extradenticle/Pbx（Exd） 和 Homothorax/MEIS （Hth），這顯然不足以賦予眾多 Hox 轉錄因子們專一性，因此輔因子的多樣性理論恐怕並不正確。
受 Hox 調控的增強子（enhancers）們也被認為是這個悖論可能的一種答案。先前研究發現增強子上往往各自都具有對相應轉錄因子的多個結合位 [4]，被稱為 homotypic binding site clusters，不過多重的結合位與 Hox 的專一性之間有何關係並不甚明瞭。基於這個方向，霍華休斯研究所的 Justin Crocker 等人以 Ubx 如何藉由 svb 上游的增強子 E3N、7H 來調控 svb 的表現進行研究。研究結果指出 Ubx 在 E3N 與 7H 各有 3 個結合位。令人驚訝的是 Ubx-Exd（註）在這些增強子上的結合位與先前研究所找到的 [5] DNA 序列相比親和力非常低。研究團隊於是把這一系列 DNA 按與 Ubx/AbdA-Exd 的親和力高低進行排序，發現親和力越高者，越容易與其他 Hox 蛋白交互作用，也就意味著專一性越差，反之則有越好的專一性。研究者進一步在果蠅胚胎中針對新找到的 E3N 和 7H 上的 Ubx-Exd 結合位進行突變以產生親和力不一的強化子，發現親和力越高者，越容易在腹部體節以外的地方表達出 svb（如圖片最右方），印證了 Ubx 的高度專一性係導因於其低的親和力。
不過這個發現馬上衍生了一個新的問題：為什麼增強子上要包含多個 Hox 結合位？研究團隊發現當這些結合位發生突變以致與 Ubx-Exd 的結合能力更加減弱時，果蠅胚胎將更無法承受環境（如低溫）或自身基因突變（如 Ubx(-)/+）帶來的影響。這說明增強子上的多重結合位在基因表現穩定度上有著無與倫比的重要性。
這篇研究為這個困擾發育生物學界已久的「 Hox 專一性悖論」找到了一個合理解釋。不過這些低親和力結合位的 DNA 序列差異極大，但是與 Hox-Exd-Hth 的親和力卻相當接近，不甚合理，這個現象需要更一步的探討詳細機制才能釐清，不過 Hox 專一性難題得到解答已經是一項非常振奮人心的躍進了！
※ Ubx 必須與先前提到的兩種輔因子 Exd 和 Hth 共同作用才能和 DNA 結合，為了方便我們這邊簡稱 Ubx-Exd。
圖說：HOX 與其調控之增強子間的親和力與專一性關係 圖片來源：https://tinyurl.com/yb2a6x8u
參考資料：
- Crocker, J., Abe, N., Rinaldi, L., McGregor, A., Frankel, N., Wang, S., … Stern, D. (2015). Low Affinity Binding Site Clusters Confer Hox Specificity and Regulatory Robustness. Cell, 160(1-2), 191-203. doi:10.1016/j.cell.2014.11.041
- Solving the Hox Specificity Paradox. (n.d.). Retrieved from https://phys.org/news/2015-01-hox-specificity-paradox.html
- Berger, M. F., Badis, G., Gehrke, A. R., Talukder, S., Philippakis, A. A., Peña-Castillo, L., … Hughes, T. R. (2008). Variation in Homeodomain DNA Binding Revealed by High-Resolution Analysis of Sequence Preferences. Cell, 133(7), 1266-1276. doi:10.1016/j.cell.2008.05.024
- Stanojevic, D., Small, S., & Levine, M. (1991). Regulation of a segmentation stripe by overlapping activators and repressors in the Drosophila embryo. Science, 254(5036), 1385-1387. doi:10.1126/science.1683715
- Slattery, M., Riley, T., Liu, P., Abe, N., Gomez-Alcala, P., Dror, I., … Mann, R. (2011). Cofactor Binding Evokes Latent Differences in DNA Binding Specificity between Hox Proteins. Cell, 147(6), 1270-1282. doi:10.1016/j.cell.2011.10.053撰文｜姚京含
