Введение
Общее происхождение последовательностей ДНК, РНК или белков
Гомология последовательностей – это биологическое сходство между последовательностями ДНК, РНК или белков, определяемое общим происхождением в эволюционной истории жизни. Два участка ДНК могут иметь общее происхождение в результате трех явлений: события видообразования (ортологи), события дупликации (паралоги) или горизонтального (или латерального) переноса генов (ксенологи). Гомология ДНК, РНК или белков обычно устанавливается на основе сходства их нуклеотидных или аминокислотных последовательностей. Значительное сходство является веским доказательством того, что две последовательности связаны эволюционными изменениями, произошедшими от общей предковой последовательности. Выравнивание множественных последовательностей используется для определения гомологичных участков в каждой последовательности.
Идентичность, сходство и сохранение
Термин "процентная гомология" часто используется для обозначения "сходства последовательностей", то есть процента идентичных остатков (процент идентичности) или процента остатков, имеющих схожие физико-химические свойства (процент схожести), например, лейцин и изолейцин, обычно используется для "количественной оценки гомологии". Однако, исходя из вышеприведенного определения гомологии, такая терминология некорректна, поскольку сходство последовательностей – это наблюдение, а гомология – это вывод. Последовательности либо гомологичны, либо нет. Как и в случае морфологических и анатомических структур, сходство последовательностей может возникать в результате конвергентной эволюции или, особенно в случае коротких последовательностей, случайно, что означает, что они не являются гомологичными. Гомологичные участки последовательности также называют консервативными. Это не следует путать с консервацией в аминокислотных последовательностях, когда аминокислота в определенной позиции заменяется другой, обладающей функционально эквивалентными физико-химическими свойствами. Частичная гомология может наблюдаться, когда сегмент сравниваемых последовательностей имеет общее происхождение, а остальная часть – нет. Такая частичная гомология может быть результатом слияния генов.
Ортология
Гомологичные последовательности являются ортологичными, если предполагается, что они произошли от одной и той же предковой последовательности, разделенной событием видообразования: когда вид расходится на два отдельных вида, копии одного гена в двух образовавшихся видах называются ортологами. Ортологи, или ортологические гены, – это гены в разных видах, которые возникли путем вертикального наследования от единого гена последнего общего предка. Термин «ортолог» был введен в 1970 году молекулярным эволюционистом Уолтером Фичем. Например, растительный регуляторный белок Flu присутствует как у Arabidopsis (многоклеточного высшего растения), так и у Chlamydomonas (одноклеточной зеленой водоросли). Версия Chlamydomonas более сложна: она пересекает мембрану дважды, а не один раз, содержит дополнительные домены и подвергается альтернативному сплайсингу. Однако она может полностью заменить гораздо более простой белок Arabidopsis, если будет перенесена 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, унаследованными от общего предка. Ортология строго определяется с точки зрения происхождения. Учитывая, что точное происхождение генов в разных организмах сложно установить из-за дупликации генов и перестроек генома, наиболее весомым доказательством ортологичности двух сходных генов обычно является филогенетический анализ их генеалогии. Ортологи часто, но не всегда, выполняют одну и ту же функцию. Ортологические последовательности предоставляют ценную информацию для таксономической классификации и филогенетических исследований организмов. Характер генетической дивергенции можно использовать для прослеживания родственных связей между организмами. Два организма, тесно связанные между собой, вероятно, будут демонстрировать очень похожие последовательности ДНК в ортологичных генах. И наоборот, организм, эволюционно далекий от другого, скорее всего, будет показывать большую дивергенцию в последовательности изучаемых ортологов.
Паралогичность
Паралогичные гены – это гены, связанные происхождением от событий дупликации в последнем общем предке (LCA) сравниваемых видов. Они возникают в результате мутации дуплицированных генов в ходе отдельных событий видообразования. Если потомки LCA имеют мутировавшие гомологи исходных дуплицированных генов, то эти гены считаются паралогами. Паралогичные гены способны формировать структуру целых геномов и, таким образом, во многом объясняют эволюцию геномов. Примером служат гены Homeobox (Hox) у животных. Эти гены подвергались не только дупликациям генов внутри хромосом, но и дупликациям целых геномов. В результате гены Hox у большинства позвоночных сгруппированы на нескольких хромосомах, причём кластеры HoxA и HoxD являются наиболее изученными.
Регулирование
Паралоги часто регулируются по-разному, например, за счет различных моделей экспрессии в разных тканях (см. гены Hox). Однако они могут также регулироваться по-разному на белковом уровне. Например, Bacillus subtilis кодирует два паралога глутаматдегидрогеназы: GudB транскрибируется конститутивно, а RocG – строго регулируется. В активном олигомерном состоянии оба фермента демонстрируют схожую ферментативную активность. Однако замена ферментов и промоторов приводит к значительным потерям жизнеспособности, что указывает на коэволюцию промотора и фермента. Характеристика белков показывает, что по сравнению с RocG, ферментативная активность GudB сильно зависит от концентрации глутамата и pH.
Паралогичные хромосомные области
Иногда большие участки хромосом разделяют генный состав, сходный с другими участками хромосом в пределах одного и того же генома. Они хорошо изучены в геноме человека, где используются как доказательства в поддержку гипотезы 2R. Наборы дуплицированных, триплицированных и квадруплицированных генов, с родственными генами на разных хромосомах, рассматриваются как остатки геномных или хромосомных дупликаций. Совокупность паралогических участков называется паралогоном. Хорошо изученные паралогические участки включают участки человеческих хромосом 2, 7, 12 и 17, содержащие кластеры генов Hox, гены коллагена, гены кератина и другие дуплицированные гены, участки человеческих хромосом 4, 5, 8 и 10, содержащие гены рецепторов нейропептидов, гены гомеобокса NK-класса и многие другие семейства генов, а также части человеческих хромосом 13, 4, 5 и X, содержащие гены ParaHox и их соседние гены. Комплекс главного комплекса гистосовместимости (MHC) на 6-й хромосоме человека имеет паралогические участки на хромосомах 1, 9 и 19. Значительная часть человеческого генома, по-видимому, может быть отнесена к паралогическим участкам.
Технология
Онологические гены – это паралогичные гены, возникшие в результате дупликации всего генома. Название было впервые предложено Кеном Вулфом в честь Сусуму Оно. Онологи полезны для эволюционного анализа, поскольку все онологи в геноме дивергируют в течение одного и того же периода времени (от момента их общего происхождения при дупликации всего генома). Также известно, что онологи часто ассоциированы с онкологическими заболеваниями, доминантными генетическими расстройствами и патогенными вариациями числа копий.
Ксенология
Гомологи, возникающие в результате горизонтального переноса генов между двумя организмами, называются ксенологами. Ксенологи могут приобретать различные функции, если новая среда существенно отличается для перемещающегося горизонтально гена. Однако, как правило, ксенологи сохраняют схожую функцию в обоих организмах. Термин был предложен Уолтером Фитчем. У аллополиплоидов гомологичные хромосомы внутри каждого родительского подгенома должны точно спариваться во время мейоза, обеспечивая дисомическое наследование. Однако, в некоторых аллополиплоидах гомоэологичные хромосомы родительских геномов могут быть почти столь же похожи друг на друга, как и гомологичные хромосомы, что приводит к тетрасомическому наследованию (спариванию четырех хромосом в мейозе), межгеномной рекомбинации и снижению плодовитости.
Гаметология
Гаметология обозначает взаимосвязь между гомологичными генами на не рекомбинирующих половых хромосомах разного пола. Термин был предложен Гарсией Морено и Минделлом в 2000 году. Гаметологи возникают в связи с возникновением генетического определения пола и барьеров к рекомбинации между половыми хромосомами. Примерами гаметологов являются гены CHDW и CHDZ у птиц.