הומולוגיה של רצף

הומולוגיה של רצף (באנגלית: Sequence homology) היא הומולוגיה ביולוגית בין רצפי DNA, RNA או חלבונים, המוגדרת במונחי מוצא משותף בהיסטוריה האבולוציונית של החיים. לשני מקטעים של דנ"א יכול להיות מוצא משותף בגלל שלוש תופעות: אירוע ספציאציה (אורתולוגיה), אירוע שכפול (פאראלוגיה) או אירוע העברה גנטית אופקית (קסנולוגיה) או רוחבית.

אפשר להבחין בהומולוגיה בין ה-DNA, ה-RNA או החלבונים על ידי הבחנה בדמיון בין רצף הנוקלאוטידים או חומצות האמינו. דמיון משמעותי הוא עדות חזקה לכך ששני רצפים קשורים על ידי שינויים אבולוציוניים אך מקורם הוא רצף קדמון משותף. עימוד של רצפים מרובים משמש לציין אילו אזורים בכל רצף הם הומולוגיים.

 זהות, דמיון ושימור 
ממוזער|500x500 פיקסלים| עימוד רצף של חלבוני היסטון ביונקים. רצפים הם 120–180 שיירי חומצות האמינו האמצעיים של החלבונים. שאריות שנשמרו בכל הרצפים מסומנות באפור. המפתח שלמטה מציין רצף שמור (*), מוטציות שמרניות (:), מוטציות שמרניות למחצה (.) ומוטציות לא שמרניות ( ). 
המונח "אחוז הומולוגיה" משמש לעיתים קרובות במשמעות של "דמיון ברצף", כלומר אחוז השרידים הזהים (אחוז זהות) או אחוז השיירים שנשמרו עם תכונות פיזיקוכימיות דומות (אחוז דמיון), למשל לאוצין ואיזולאוצין, נתון שבדרך כלל משמש כדי "לכמת את ההומולוגיה." בהתבסס על ההגדרה של ההומולוגיה שצוינה לעיל מינוח זה טעון תיקון מכיוון שדמיון ברצף הוא התצפית, וההומולוגיה היא המסקנה. רצפים הם הומולוגיים או לא. המונח "אחוז הומולוגיה" הוא כינוי שגוי. הכוונה היא לאחוז הדמיון ברצף.

כמו במבנים מורפולוגיים ואנטומיים, דמיון ברצף עשוי להתרחש בגלל אבולוציה מתכנסת, או, כמו ברצפים קצרים יותר, במקרה – כלומר רצפים שאינם הומולוגיים. אזורי רצף הומולוגי נקראים גם רצפים שמורים. אין לבלבל זאת עם שימור רצפי חומצות אמינו, כאשר חומצת האמינו במיקום מסוים הוחלפה באחרת בעלת תכונות פיזיקוכימיות שוות מבחינה תפקודית.

הומולוגיה חלקית יכולה להתרחש כאשר לקטע מהרצפים המושווים יש מקור משותף, בעוד שלשאר אין. הומולוגיה חלקית כזו עשויה לנבוע מאירוע היתוך גנים.

 אורתולוגיה 
ממוזער|290x290 פיקסלים| למעלה: גן קדמון משתכפל כדי לייצר שני פאראלוגים (גנים A ו-B). אירוע ספציאציה מייצר אורתולוגים בשני מיני הבת. למטה: במין נפרד, לגן לא קשור יש תפקיד דומה (גן C) אבל יש לו מקור אבולוציוני נפרד וכך הוא אנלוגי.
רצפים הומולוגיים הם אורתולוגיים אם מסיקים שהם צאצאים מאותו רצף קדמון המופרדים על ידי אירוע ספציאציה: כאשר מין מתפצל לשני מינים נפרדים, העותקים של גן בודד בשני המינים שהתקבלו אמורים להיות אורתולוגיים. גנים אורתולוגיים הם גנים במינים שונים שמקורם במוצא אנכי מגן בודד של האב הקדמון המשותף האחרון. המונח "אורתולוג" נטבע בשנת 1970 על ידי חוקר האבולוציה המולקולרית וולטר פיץ'.

לדוגמה, החלבון המווסת של שפעת הצמח קיים הן בארבידופסיס (Arabidopsis, צמח רב תאי) והן בכלמידומונאס (Chlamydomonas, אצות ירוקות חד-תאיות). הגרסה של כלמידומונאס מורכבת יותר: היא חוצה את הממברנה פעמיים ולא פעם אחת, מכילה תחומים נוספים ועוברת שחבור חלופי. עם זאת, החלבון יכול להחליף באופן מלא את חלבון הארבידופסיס הפשוט הרבה יותר, אם הוא מועבר מאצות לגנום הצמח באמצעות הנדסה גנטית. דמיון משמעותי ברצף ותחומים פונקציונליים משותפים מצביעים על כך ששני הגנים הללו הם גנים אורתולוגיים, שהועברו בירושה מהאב הקדמון המשותף.

אורתולוגיה מוגדרת במונחים של מוצא. קשה לקבוע את מוצאם המדויק של גנים באורגניזמים שונים עקב שכפול גנים ואירועי סידור מחדש של הגנום, ולכן העדות החזקה ביותר לכך ששני גנים דומים הם אורתולוגיים נמצאות בדרך כלל על ידי ביצוע ניתוח פילוגנטי של שושלת הגנים. לאורתולוגים לעיתים קרובות יש אותו תפקיד.

רצפים אורתולוגיים מספקים מידע שימושי בסיווג טקסונומי ובמחקרים פילוגנטיים של אורגניזמים. ניתן להשתמש בדפוס של סטייה גנטית כדי להתחקות אחר הקשר בין אורגניזמים. שני אורגניזמים קרובים עשויים להציג רצפי DNA דומים של שני אורתולוגים. לעומת זאת, אורגניזם רחוק יותר מבחינה אבולוציונית מאורגניזם אחר עשוי להציג הבדל גדול יותר ברצף האורתולוגים הנחקרים.

 מאגרי מידע של גנים אורתולוגיים 
לאור חשיבותם לביולוגיה ולביואינפורמטיקה, גנים אורתולוגיים אורגנו במספר מסדי נתונים המספקים כלים לזיהוי וניתוח רצפי גנים אורתולוגיים. משאבים אלה משתמשים בגישות שניתן לסווג בדרך כלל לאלו המשתמשות בניתוח היוריסטי של השוואות הרצף הזוגיות, ואלה המשתמשות בשיטות פילוגנטיות. שיטות השוואת רצפים היו חלוצות במסד הנתונים של COGs בשנת 1997.COGs: Clusters of Orthologous Groups of proteins שיטות אלו הורחבו ואוטומטיות ב-12 מסדי נתונים שונים, כשהמתקדמים ביותר הם AYbRAH ניתוח שמרים על ידי שחזור קדמון של הומולוגים ומסדי הנתונים הבאים:
 eggNOGeggNOG: evolutionary genealogy of genes: Non-supervised Orthologous Groups
 GreenPhylDBGreenPhylDB לצמחים
 InParanoidInparanoid: Eukaryotic Ortholog Groups – מתמקד ביחסים אורתולוגיים זוגיים
 OHNOLOGS – מאגר של הגנים שנשמרו משכפול גנום שלם בגנום החולייתנים כולל אדם ועכבר.
 OMA
 OrthoDB – מעריך שהתפיסה האורתולוגית היא ביחס לנקודות ייעוד שונות על ידי מתן היררכיה של גנים אורתולוגים לאורך עץ המינים.
 OrthoInspector הוא מאגר של גנים אורתולוגיים עבור 4753 אורגניזמים המכסים את שלוש ממלכות החיים – ארכאה, בקטריה ואיקריה.
 OrthologiIDOrthologID
 OrthoMaMOrthoMaM ליונקים
 OrthoMCLOrthoMCL: Identification of Ortholog Groups for Eukaryotic Genomes
 RoundupRoundup

גישות פילוגנטיות המבוססות על עצים שואפות להבחין בין סוגים שונים לבין אירועי שכפול גנים על ידי השוואת עצי גנים עם עצי מינים, כפי שמיושם במסדי נתונים ובכלי תוכנה כגון
 LOFTTreeFam: Tree families database
 TreeFamTreeFam: Tree families database
 OrthoFinderOrthoFinder: Orthologs from gene trees

קטגוריה שלישית של גישות היברידיות משתמשת הן בשיטות היוריסטיות והן בשיטות פילוגנטיות כדי לבנות אשכולות ולקבוע עצים, למשל:
 EnsemblCompara GeneTrees
 HomoloGene
 Ortholuge

 פאראלוגיה 
גנים פאראלוגיים הם גנים הקשורים באמצעות אירועי שכפול באב הקדמון המשותף האחרון (LCA) של המין שמושווה. הם נובעים ממוטציה של גנים משוכפלים במהלך אירועי ספציאציה נפרדים. כאשר צאצאים מהאב הקדמון המשותף האחרון חולקים גנים הומולוגים שעברו מוטציה מהגנים המשוכפלים המקוריים, הגנים הללו נחשבים לפאראלוגים.

כדוגמה, באב הקדמון המשותף האחרון, גן אחד (גן A) עשוי להשתכפל כדי ליצור גן דומה נפרד (גן B). שני הגנים הללו ימשיכו לעבור לדורות הבאים. במהלך ספציאציה, סביבה אחת תעדיף מוטציה בגן A (גן A1), ותיצור מין חדש עם הגנים A1 ו-B. לאחר מכן, באירוע ספציאציה נפרד, סביבה אחת תעדיף מוטציה בגן B (גן B1) המביאה למין חדש עם גנים A ו-B1. הגנים של הצאצאים A1 ו-B1 מקבילים זה לזה מכיוון שהם הומולוגים הקשורים באמצעות אירוע שכפול באב הקדמון המשותף האחרון של שני המינים.

סיווגים נוספים של פאראלוגים כוללים אלופאראלוגים (פאראלוגים חיצוניים) וסימפאראלוגים (פאראלוגים פנימיים). אלופאראלוגים הם פאראלוגים שהתפתחו משכפולים של גנים שקדמו לאירוע הספציאציה, כלומר התפתחו מאירועי שכפול שקרו באב הקדמון המשותף האחרון של האורגניזמים המושווים. סימפאראלוגים הם פאראלוגים שהתפתחו משכפול גנים של גנים פאראלוגיים באירועי ספציאציה מאוחרים יותר. מהדוגמה שלמעלה, אם הצאצא עם הגנים A1 ו-B עבר ספציאציה נוספת שבה הגן A1 השתכפל, למין החדש יהיו גנים B, A1a ו-A1b. בדוגמה זו, הגנים A1a ו-A1b הם סימפאראלוגים.
ממוזער|311x311 פיקסלים| גני HOX של בעלי חוליות מאורגנים בקבוצות של פאראלוגים. כל צביר הוקס (HoxA, HoxB וכו') נמצא על כרומוזום אחר. לדוגמה, צביר HoxA האנושי נמצא על כרומוזום 7. לצביר HoxA של העכבר המוצג כאן יש 11 גנים פאראלוגיים (2 חסרים).
גנים פאראלוגיים יכולים לעצב את המבנה של גנומים שלמים ובכך להסביר את התפתחות הגנום במידה רבה. דוגמאות כוללות את הגנים של Homeobox (Hox) בבעלי חיים. גנים אלה לא רק עברו שכפול גנים בתוך כרומוזומים אלא גם שכפול של גנום שלם. כתוצאה מכך, גנים של Hox ברוב החולייתנים מקובצים על פני מספר כרומוזומים, כאשר אשכולות HoxA-D הם הנחקרים ביותר.

דוגמה נוספת הם הגנים לגלובין המקודדים למיוגלובין והמוגלובין ונחשבים לפאראלוגים עתיקים. באופן דומה, ארבע הקבוצות המוכרות של המוגלובין (המוגלובין A, המוגלובין A2, המוגלובין B והמוגלובין F) הם פאראלוגים זה לזה. כל אחד מהחלבונים הללו משרת את אותו תפקיד בסיסי של הובלת חמצן, אך הם כבר התפצלו מעט בתפקוד: להמוגלובין עוברי (המוגלובין F) יש זיקה גבוהה יותר לחמצן מאשר להמוגלובין בוגר. עם זאת, הפונקציה לא תמיד נשמרת. אנגיוגנין אנושי התרחק מריבונוקלאז, למשל, ובעוד ששני הפאראלוגים נותרו דומים במבנה השלישוני, התפקודים שלהם בתוך התא שונים לגמרי.

לעיתים קרובות נטען שאורתולוגים דומים יותר מבחינה תפקודית מפאראלוגים בעלי הבדל דומה, אך מספר מאמרים ערערו על רעיון זה.

 בקרה 
פאראלוגים עוברים בקרה לעיתים קרובות בצורה שונה, למשל על ידי דפוסי ביטוי ספציפיים לרקמות (ראו גני HOX). עם זאת, ניתן לווסת אותם בצורה שונה גם ברמת החלבון. לדוגמה, Bacillus subtilis מקודד שני פאראלוגים של גלוטמט דהידרוגנאז: GudB משועתק באופן שונה מ-RocG. במצבים הפעילים, האוליגומריים, שני האנזימים מראים שיעורים אנזימטיים דומים. עם זאת, החלפות של אנזימים וקדמים גורמים לאובדן כשירות חמור, ובכך מצביעים על אבולוציה משותפת של קדם-אנזים. אפיון החלבונים מראה שבהשוואה ל-RocG, הפעילות האנזימטית של GudB תלויה מאוד בגלוטמט וב-pH.

 אזורים כרומוזומליים פאראלוגיים 
לפעמים, אזורים גדולים של כרומוזומים חולקים תוכן גנים בדומה לאזורים כרומוזומליים אחרים בתוך אותו גנום. הם מאופיינים היטב בגנום האנושי, שם הם שימשו כראיה לתמיכה בהשערת 2R . קבוצות של גנים משוכפלים, משולשים ומכופלים, עם הגנים הקשורים בכרומוזומים שונים, נגזרו כשרידים מגנום או שכפולים כרומוזומליים. קבוצה של אזורים פאראלוגים נקראת ביחד פאראלוגון. סטים שנחקרו היטב של אזורי פאראלוגיה כוללים אזורים של כרומוזום אנושי 2, 7, 12 ו-17 המכילים אשכולות גני Hox, גני קולגן, גני קרטין וגנים משוכפלים אחרים, אזורים של כרומוזומים אנושיים 4, 5, 8 ו-10 המכילים גנים לקולטנים לנוירופפטידים, גנים הומיאובוקס מסוג NK ועוד הרבה משפחות גנים, וחלקים של כרומוזומים אנושיים 13, 4, 5 ו-X המכילים את הגנים ParaHox ושכניהם. לקבוצת הגנים MHC על כרומוזום 6 אנושי יש אזורים פאראלוגיים על כרומוזומים 1, 9 ו-19. נראה שחלק ניכר מהגנום האנושי ניתן להקצאה לאזורי פאראלוגיה.

 אונולוגיה 

גנים אונולוגים הם גנים פאראלוגים שמקורם בתהליך של שכפול גנום שלם. השם ניתן לראשונה לכבוד סוסומו אונו (Susumu Ohno) על ידי קן וולף. גנים אונולוגים שימושיים לניתוח אבולוציוני מכיוון שכל האונולוגים בגנום התפצלו במשך אותו פרק זמן (מאז מקורם המשותף בשכפול הגנום כולו). ידוע שגנים אונולוגים מראים קשר גדול יותר לסוגי סרטן, הפרעות גנטיות דומיננטיות, וריאציות פתוגניות במספר ההעתקות.

 קסנולוגיה 
הומולוגים הנובעים מהעברת גנים אופקית בין שני אורגניזמים נקראים קסנולוגים. לקסנולוגים יכולים להיות פונקציות שונות אם הסביבה החדשה שונה עבור הגן הנע אופקית. עם זאת, לקסנולוגים יש תפקוד דומה בשני האורגניזמים. את המונח טבע וולטר פיץ'.

 הומואולוגיה 
כרומוזומים הומואולוגים (מאוית גם "הומולוגיים", homeologous) או חלקים של כרומוזומים אלו שודכו בעקבות רביית כלאיים ואלופוליפלואידיזציה ליצירת גנום היברידי, והקשר ביניהם היה הומולוגי במין קדמון. באלופוליפלואידים, הכרומוזומים ההומולוגיים בתוך כל תת-גנום הורי צריכים להיצמד במהלך המיוזה, מה שמוביל להורשה דיסומית (כרומוזום שיש לו עותק אחד או שניים); אולם בכמה אלופוליפלואידים, הכרומוזומים ההומואולוגים של הגנום ההורי עשויים להיות דומים זה לזה כמעט כמו הכרומוזומים ההומולוגיים, מה שמוביל להורשה טטרזומית (ארבעה כרומוזומים מצומדים במיוזה), רקומבינציה בין-גנומית ופוריות מופחתת.

 גמטולוגיה 
גמטולוגיה מציינת את הקשר בין גנים הומולוגיים בכרומוזומים של המין השני שאינם עוברים רקומבינציה. את המונח טבעו גרסיה-מורנו ומינדל. 2000. גמטולוגים נובעים מהמקור של קביעת מין גנטית ומחסמים לשחלוף בין כרומוזומי מין. דוגמאות לגמטולוגיות כוללות CHDW ו-CHDZ בציפורים.

 ראו גם 
 הומולוגיה עמוקה
קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:פילוגנטיקה
קטגוריה:ביולוגיה אבולוציונית
קטגוריה:דפים עם תרגומים שלא נסקרו