Войти
Ген филогенез в виде красных и синих ветвей внутри серого филогения видов. Вверху: наследственная дупликация гена дает два паралога (гистон H1.1 и 1.2 ). Событие видообразования приводит к появлению ортологов у двух дочерних видов (человека и шимпанзе). Внизу: у отдельного вида (E. coli ) ген имеет аналогичную функцию (гистоноподобный белок, структурирующий нуклеоид ), но имеет отдельное эволюционное происхождение, и поэтому аналог.Гомология последовательностей - это биологическая гомология между ДНК, РНК или последовательностями белка, определенная в условия общего происхождения в эволюционной истории жизни. Два сегмента ДНК могут иметь общее происхождение из-за трех явлений: либо событие видообразования (ортологи), либо событие дублирования (паралоги), либо горизонтальное (или латеральное) событие переноса гена (ксенологи).
Гомология ДНК, РНК или белков обычно выводится из их сходства нуклеотидных или аминокислотных последовательностей. Значительное сходство является убедительным доказательством того, что две последовательности связаны эволюционными изменениями от общей предковой последовательности. Выравнивания нескольких последовательностей используются для указания, какие участки каждой последовательности гомологичны.
A выравнивание последовательностей гистона млекопитающих белки. Последовательности представляют собой средние 120-180 аминокислотных остатков белков. Остатки, которые сохраняются во всех последовательностях, выделены серым цветом. Ключ ниже обозначает консервативную последовательность (*), консервативные мутации (:), полуконсервативные мутации (.) И неконсервативные мутации (). Термин «процент гомологии» часто используется для обозначения «сходства последовательностей». Процент идентичных остатков (процент идентичности) или процент остатков, сохраненных со сходными физико-химическими свойствами (процент сходства), например лейцин и изолейцин обычно используются для «количественной оценки гомологии». На основании определения гомологии, указанного выше, эта терминология неверна, поскольку сходство последовательностей - это наблюдение, гомология - вывод. Последовательности либо гомологичны, либо нет. Это означает, что термин "процент гомологии" употреблен неправильно.
Как и в случае с морфологическими и анатомическими структурами, сходство последовательностей может возникать из-за конвергентной эволюции или, как в случае более коротких последовательностей, случайно, что означает, что они не гомологичны. Области гомологичной последовательности также называют консервативными. Это не следует путать с сохранением в последовательностях аминокислот, где аминокислота в конкретном положении была заменена другой, которая имеет функционально эквивалентные физико-химические свойства.
Частичная гомология может иметь место, когда сегмент сравниваемых последовательностей имеет общее происхождение, а остальные нет. Такая частичная гомология может быть результатом события слияния гена.
.
Вверху: предковый ген дублируется, давая два паралога (гены A и B). Событие видообразования дает ортологов у двух дочерних видов. Внизу: у отдельного вида неродственный ген имеет аналогичную функцию (Ген C), но имеет отдельное эволюционное происхождение и, следовательно, аналог .Гомологичные последовательности являются ортологическими, если они предполагаются происходить от одной и той же предковой последовательности, разделенной событием видообразования : когда вид разделяется на два отдельных вида, копии одного гена в двух результирующих видах считаются ортологичными. Ортологи или ортологичные гены - это гены у разных видов, которые произошли в результате вертикального спуска от одного гена последнего общего предка. Термин «ортолог» был придуман в 1970 г. молекулярным эволюционистом Уолтером Фитч.
. Например, растение Регуляторный белок гриппа присутствует как в Arabidopsis (многоклеточное высшее растение) и Chlamydomonas (одноклеточные зеленые водоросли). Версия Chlamydomonas более сложная: она дважды пересекает мембрану, а не один раз, содержит дополнительные домены и подвергается альтернативному сплайсингу. Однако он может полностью заменить гораздо более простой белок Arabidopsis, если его передать из водорослей в геном растения с помощью генной инженерии. Значительное сходство последовательностей и общие функциональные домены указывают на то, что эти два гена являются ортологичными генами, унаследованными от общего предка .
Ортология строго определена с точки зрения происхождения. Учитывая, что точное происхождение генов у разных организмов трудно установить из-за дупликации генов и событий перестройки генома, наиболее убедительные доказательства того, что два схожих гена являются ортологами, обычно обнаруживаются путем проведения филогенетического анализа происхождения генов.. Ортологи часто, но не всегда, выполняют одну и ту же функцию.
Ортологические последовательности предоставляют полезную информацию для таксономической классификации и филогенетических исследований организмов. Паттерн генетической дивергенции может быть использован для отслеживания родства организмов. Два очень тесно связанных организма, вероятно, будут иметь очень похожие последовательности ДНК между двумя ортологами. И наоборот, организм, который эволюционно отделен от другого организма, вероятно, будет демонстрировать большее расхождение в последовательности изучаемых ортологов.
Учитывая их огромное значение для биологии и биоинформатика, ортологичные гены были организованы в несколько специализированных баз данных, которые предоставляют инструменты для идентификации и анализа последовательностей ортологичных генов. В этих ресурсах используются подходы, которые в целом можно разделить на те, которые используют эвристический анализ всех попарных сравнений последовательностей, и те, которые используют филогенетические методы. Впервые методы сравнения последовательностей были введены в базу данных COG в 1997 году. Эти методы были расширены и автоматизированы в следующих базах данных:
Древовидные филогенетические подходы направлены на то, чтобы отличить видообразование от событий дупликации генов путем сравнения деревьев генов с деревьями видов, как это реализовано в базах данных и программных инструментах, таких как:
A третья категория гибридных подходов использует как эвристические, так и филогенетические методы для построения кластеров и определения деревьев, например:
Паралогичные гены - это гены, которые связаны между собой посредством событий дупликации в последнем общем предке (LCA) сравниваемых видов. Они возникают в результате мутации дублированных генов во время отдельных событий видообразования. Когда потомки от LCA имеют общие мутировавшие гомологи исходных дублированных генов, тогда эти гены считаются паралогами.
Например, в LCA один ген (ген A) может быть дублирован, чтобы образовать отдельный похожий ген ( ген B), эти два гена будут продолжать передаваться последующим поколениям. Во время видообразования одна среда будет способствовать мутации в гене A (ген A1), создавая новый вид с генами A1 и B. Затем в отдельном событии видообразования одна среда будет благоприятствовать мутации в гене B (ген B1), приводящей к возникновению новый вид с генами A и B1. Гены потомков A1 и B1 паралоги друг другу, потому что они являются гомологами, которые связаны через событие дупликации у последнего общего предка двух видов.
Дополнительные классификации паралогов включают аллопаралоги (внепаралоги) и симпаралоги (in-paralogs). Аллопаралоги - это паралоги, которые произошли от дупликаций генов, предшествовавших данному событию видообразования. Другими словами, аллопаралоги - это паралоги, которые возникли в результате событий дублирования, которые произошли в LCA сравниваемых организмов. Приведенный выше пример является примером аллопаралогии. Симпаралоги - это паралоги, которые произошли в результате дупликации генов-паралогов в последующих событиях видообразования. Из приведенного выше примера, если потомок с генами A1 и B претерпел другое событие видообразования, в котором дуплицировался ген A1, у нового вида были бы гены B, A1a и A1b. В этом примере гены A1a и A1b являются симпаралогами.
Позвоночные Hox-гены организованы в наборы паралогов. Каждый Hox-кластер (HoxA, HoxB и т. Д.) Находится на отдельной хромосоме. Например, кластер HoxA человека находится на хромосоме 7. Показанный здесь кластер мышиного HoxA имеет 11 паралоговых генов (2 отсутствуют). Паралогичные гены могут формировать структуру целых геномов и, таким образом, в значительной степени объяснять эволюцию генома. Примеры включают гены Homeobox (Hox ) у животных. Эти гены подверглись не только дупликациям в пределах хромосом, но также и дупликациям всего генома. В результате гены Hox у большинства позвоночных сгруппированы по нескольким хромосомам, причем кластеры HoxA-D являются наиболее изученными.
Другим примером являются гены глобина, которые кодируют миоглобин и гемоглобин и считаются древними паралогами. Точно так же четыре известных класса гемоглобинов (гемоглобин A, гемоглобин A2, гемоглобин B и гемоглобин F ) являются паралогами каждого Другие. Хотя каждый из этих белков выполняет одну и ту же основную функцию переноса кислорода, они уже немного разошлись по функциям: гемоглобин плода (гемоглобин F) имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослого человека. Однако функция не всегда сохраняется. Человеческий ангиогенин отделился от рибонуклеазы, например, и хотя два паралога остаются схожими по третичной структуре, их функции в клетке теперь совершенно разные.
Это так. часто утверждали, что ортологи более функционально схожи, чем паралоги схожего расхождения, но несколько статей оспаривали это понятие.
Паралоги часто регулируются по-разному, например за счет наличия различных тканеспецифичных паттернов экспрессии (см. Hox-гены). Однако они также могут регулироваться по-разному на уровне белка. Например, Bacillus subtilis кодирует два паралога глутаматдегидрогеназы : GudB конститутивно транскрибируется, тогда как RocG жестко регулируется. В своем активном олигомерном состоянии оба фермента показывают одинаковую ферментативную скорость. Однако смена ферментов и промоторов вызывает серьезные потери приспособленности, что указывает на коэволюцию промотор-фермент. Характеристика белков показывает, что, по сравнению с RocG, ферментативная активность GudB сильно зависит от глутамата и pH.
Иногда большие участки хромосом имеют общее содержание генов, аналогичное другим хромосомным регионы в одном геноме. Они хорошо охарактеризованы в геноме человека, где они использовались в качестве доказательства в поддержку гипотезы 2R. Наборы дублированных, трех- и четырехповторных генов со связанными генами на разных хромосомах считаются остатками генома или хромосомных дупликаций. Набор областей паралогии вместе называется паралогоном. Хорошо изученные наборы областей паралогии включают области хромосом 2, 7, 12 и 17 человека, содержащие кластеры Hox-генов, гены коллагена, гены кератина и другие дублированные гены, участки хромосом 4, 5, 8 и 10 человека, содержащие гены нейропептидных рецепторов, гены гомеобокса класса NK и многие другие семейства генов, а также части хромосом человека 13, 4, 5 и X, содержащий гены ParaHox и их соседей. Главный комплекс гистосовместимости (MHC) на хромосоме 6 человека имеет области паралогии на хромосомах 1, 9 и 19. Большая часть генома человека, по-видимому, может быть отнесена к областям паралогии.
A дупликации всего генома производит геном с двумя ohnolog копиями каждого гена. 
Событие видообразования производит ортологов гена в два дочерних вида. Событие горизонтального переноса гена от одного вида к другому добавляет ксенолог гена к его геному. 
Событие видообразования создает ортологи гена у двух дочерних видов. Последующая гибридизация этих видов генерирует гибридный геном с гомеологической копией каждого гена обоих видов. Онологичные гены являются паралогичными генами, которые возникли в процессе 2R дупликации всего генома. Имя было впервые дано Кеном Вулфом в честь Сусуму Оно. Онологи полезны для эволюционного анализа, потому что все онологи в геноме расходятся в течение одного и того же отрезка времени (с момента их общего происхождения в дупликации всего генома). Известно также, что онологи в большей степени связаны с раком, доминантными генетическими нарушениями и вариациями количества патогенных копий.
Гомологи, полученные в результате горизонтального переноса генов между двумя организмами, являются называемые ксенологами. Ксенологи могут иметь разные функции, если новая среда сильно отличается для горизонтально движущегося гена. В целом, однако, ксенологи обычно выполняют сходные функции у обоих организмов. Этот термин был придуман Уолтером Фитчем.
Гомеологичные (также пишутся как гомеологичные) хромосомы или части хромосом - это те хромосомы, которые собраны вместе после межвидовой гибридизации и аллополиплоидизация с образованием гибридного генома, родство которого было полностью гомологичным у предкового вида. У аллополиплоидов гомологичные хромосомы в каждом родительском субгеноме должны точно спариваться во время мейоза, что приводит к дисомному наследованию; однако у некоторых аллополиплоидов гомеологические хромосомы родительских геномов могут быть почти так же похожи друг на друга, как и гомологичные хромосомы, что приводит к тетрасомному наследованию (четыре хромосомы спариваются при мейозе), межгеномной рекомбинации и снижение фертильности.
Гаметология обозначает взаимосвязь между гомологичными генами в нерекомбинирующихся, противоположных половых хромосомах. Этот термин был придуман Гарсией-Морено и Минделлом. 2000. Гаметологи являются результатом происхождения генетического определения пола и препятствий на пути рекомбинации между половыми хромосомами. Примеры гаметологов включают и у птиц.
