哺乳類ヒストン タンパク質の配列アライメント 。配列は、タンパク質の中央120～180アミノ酸残基です。すべての配列で保存されている残基は灰色で強調表示されています。下の凡例は、 保存配列 （*）、保存的変異 （：）、半保存的変異（.）、および非保存的変異 （）を示しています。[ 2 ] 「相同性率」という用語は、「配列類似性」、つまり同一残基の割合（同一性率 ）、または類似した物理化学的性質で保存されている残基の割合（類似性率 ）、例えばロイシン とイソロイシンを 意味するためによく使用され、通常は「相同性を定量化する」ために使用されます。上記の相同性の定義に基づくと、配列類似性は観察であり、相同性は結論であるため、この用語は不正確です。[ 3 ] [ 3 ] [ 4 ]
形態学的構造や解剖学的構造と同様に、配列の類似性は収斂進化 によって生じる場合もあれば、短い配列のように偶然によって生じる場合もあり、その場合は相同性はない。相同配列領域は保存領域 とも呼ばれる。これは、特定の位置のアミノ酸が機能的に同等の物理化学的性質を持つ別のアミノ酸に置換されたアミノ酸 配列の保存とは混同してはならない。
部分的な相同性とは、比較対象となる配列の一部が共通の起源を持ち、残りの部分はそうでない場合を指す。このような部分的な相同性は、遺伝子融合 によって生じる可能性がある。
配列類似性を超えて タンパク質はアミノ酸配列よりも三次構造をより強く保存することが知られています。遠縁の2つのタンパク質は、配列類似性が最小限または検出不可能であっても、構造アライメント によって比較できるほど非常に類似したフォールドを持つことがあります。このようなタンパク質の例は、かつては実験的な構造決定法によってのみ発見されていました。AlphaFold2などの最新のタンパク質構造予測法では、ウェット ラボ 作業なしで相同タンパク質を特定できます。[ 5 ]
RNAは、一次構造よりも三次構造をより強く保存することが知られています。RNA二次構造の予測は 、ヒトとマウスの比較に役立つことがわかりました。[ 6 ]
正相学 上図：祖先遺伝子が複製されて2つの パラログ （遺伝子AとB）が生成される。種分化によって2つの娘種にオルソログが 生成される。下図：別の種では、無関係な遺伝子が同様の機能（遺伝子C）を持つが、進化上の起源が異なるため、 アナログ である。 相同配列は、種分化 イベントによって分離された同じ祖先配列から派生したと推測される場合、オルソログである。種が2つの異なる種に分岐すると、結果として生じた2つの種の単一遺伝子のコピーはオルソログであると言われる。オルソログ、またはオルソログ遺伝子は、最後の共通祖先の単一遺伝子から垂直的派生によって生じた、異なる種の遺伝子である。「オルソログ」という用語は、1970年に 分子進化学者 ウォルター・フィッチ によって造語された。[ 7 ]
例えば、植物のFlu調節タンパク質は、 シロイヌナズナ クラミドモナス クラミドモナスの バージョンはより複雑で、膜を1回ではなく2回横断し、追加のドメインを含み、選択的スプライシング を受けます。しかし、遺伝子工学 によって藻類から植物ゲノムに導入された場合、はるかに単純なシロイヌナズナの タンパク質を完全に置き換えることができます。有意な配列類似性と共通の機能ドメインは、これら2つの遺伝子が共通の祖先 から受け継がれたオルソログ遺伝子であることを示しています[ 8 ]
オルソロジーは祖先の観点から厳密に定義されます。遺伝子重複 やゲノム再編成イベントのため、異なる生物の遺伝子の正確な祖先を特定することは困難であるため、2つの類似遺伝子がオルソログであるという最も強力な証拠は、通常、遺伝子系統の系統解析を行うことによって得られます。オルソログは多くの場合、同じ機能を持ちますが、常にそうとは限りません。[ 9 ]
相同配列は、生物の分類学的研究や系統発生学的研究において有用な情報を提供する。遺伝的分岐のパターンは、生物間の近縁関係をたどるために利用できる。非常に近縁な2つの生物は、相同配列間で非常に類似したDNA配列を示す可能性が高い。逆に、進化的に他の生物から遠ざかっている生物は、研究対象となる相同配列においてより大きな分岐を示す可能性が高い。
生物学およびバイオインフォマティクス にとって非常に重要であることから、オルソロガス遺伝子は、オルソロガス遺伝子配列を識別および分析するためのツールを提供するいくつかの専門データベース に整理されています。これらのリソースは、一般的に、すべてのペアワイズ配列比較のヒューリスティック分析を使用するものと、 系統発生的 方法を使用するものに分類できるアプローチを採用しています。配列比較方法は、1997 年に COGs データベースで初めて開拓されました。[ 10 ] [ 11 ]
系統樹に基づく系統解析 手法は、遺伝子系統樹と種系統樹を比較することで、種分化と遺伝子重複事象を区別することを目的としており、以下のようなデータベースやソフトウェアツールに実装されている。
ハイブリッドアプローチの3つ目のカテゴリーは、ヒューリスティック手法と系統発生学的手法の両方を使用してクラスターを構築し、ツリーを決定するもので、例えば次のようになります。
パラロジー パラログ遺伝子とは、比較対象種の最後の共通祖先 （LCA）における重複イベントによって関連付けられた遺伝子のことです。これらは、別々の種分化イベント中に重複した遺伝子が突然変異を起こした結果として生じます。LCAの子孫が元の重複遺伝子の変異した相同遺伝子を共有している場合、それらの遺伝子はパラログとみなされます。[ 1 ]
例えば、LCAでは、1つの遺伝子（遺伝子A）が重複して別の類似遺伝子（遺伝子B）が作られ、これら2つの遺伝子は後世代に受け継がれていきます。種分化の過程で、ある環境が遺伝子Aの突然変異（遺伝子A1）を促進し、遺伝子A1とBを持つ新しい種が生まれます。その後、別の種分化イベントで、ある環境が遺伝子Bの突然変異（遺伝子B1）を促進し、遺伝子AとB1を持つ新しい種が生まれます。子孫の遺伝子A1とB1は、2つの種の最後の共通祖先における重複イベントによって関連付けられた相同遺伝子であるため、互いにパラログです。[ 1 ]
パラログのその他の分類には、アロパラログ（アウトパラログ）とシンパラログ（インパラログ）があります。アロパラログは、特定の種分化イベントに先行する遺伝子重複から進化したパラログです。言い換えれば、アロパラログは、比較対象の生物のLCAで発生した重複イベントから進化したパラログです。上記の例はアロパラログの例です。シンパラログは、その後の種分化イベントにおけるパラログ遺伝子の遺伝子重複から進化したパラログです。上記の例から、遺伝子A1とBを持つ子孫が、遺伝子A1が重複する別の種分化イベントを経た場合、新しい種は遺伝子B、A1a、およびA1bを持つことになります。この例では、遺伝子A1aとA1bはシンパラログです。[ 1 ]
脊椎動物の Hox遺伝子は パラログのセットとして組織化されている。各Hoxクラスター（HoxA、HoxBなど）は異なる染色体上に存在する。例えば、ヒトのHoxAクラスターは7番染色体 上に存在する。ここに示したマウスのHoxAクラスターには11個のパラログ遺伝子がある（2個は欠落している）。[ 41 ] パラログ遺伝子はゲノム全体の構造を形成し、ゲノム進化を大部分説明することができる。例としては、動物のホメオボックス （Hox ）遺伝子が挙げられる。これらの遺伝子は 染色 体内の遺伝子重複だけでなく、ゲノム全体の重複 も経験した。その結果、ほとんどの脊椎動物のHox遺伝子は複数の染色体にまたがってクラスターを形成しており、HoxA-Dクラスターが最もよく研究されている。[ 41 ]
別の例として、ミオグロビン とヘモグロビン をコードする グロビン 遺伝子があり、これらは古代のパラログと考えられています。同様に、既知の4つのヘモグロビンクラス（ヘモグロビンA 、ヘモグロビンA2 、ヘモグロビンB 、ヘモグロビンF ）は互いにパラログです。これらのタンパク質はそれぞれ酸素輸送という同じ基本的な機能を果たしていますが、機能はすでにわずかに分岐しています。胎児ヘモグロビン（ヘモグロビンF）は成人ヘモグロビンよりも酸素に対する親和性が高いです。しかし、機能は常に保存されているわけではありません。たとえば、ヒトのアンジオゲニンは リボヌクレアーゼ から分岐しており、2つのパラログは三次構造は似ていますが、細胞内での機能は現在では大きく異なっています。
オルソログは類似した分岐を持つパラログよりも機能的に類似しているとよく主張されるが、いくつかの論文はこの考えに異議を唱えている。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]
アントン・ユリエフ と共著者らは共同研究において、ゲノムワイドなタンパク質間相互作用ネットワークには、偶然に期待されるよりも有意に高い頻度で自己相互作用タンパク質（ホモ二量体 ）とパラログタンパク質間の相互作用が含まれていることを実証した。これらの発見は、重複遺伝子とそのタンパク質産物が相互作用ネットワーク内でランダムに分布しているのではなく、進化の歴史によって形成された構造的および機能的な関係を保持していることを示唆している。[ 4 ]
規制 パラログは、組織特異的な発現パターンが異なるなど、異なる方法で制御されることが多い（Hox遺伝子を参照）。しかし、タンパク質レベルでも異なる方法で制御されることがある。例えば、枯草菌は グルタミン酸デヒドロゲナーゼ の2つのパラログをコードしている。GudBは構成的に転写されるのに対し、RocGは厳密に制御されている。活性なオリゴマー状態では、両方の酵素は同様の酵素速度を示す。しかし、酵素とプロモーターの交換は深刻な適応度の低下を引き起こすため、プロモーターと酵素の共進化を示している。タンパク質の特性解析によると、RocGと比較して、GudBの酵素活性はグルタミン酸とpHに大きく依存している。[ 45 ]
オーノロジー 種分化によって、2つの娘種に遺伝子の
相同遺伝子 が生じる。ある種から別の種への
水平遺伝子 伝達によって、その遺伝子の
異種遺伝子がゲノムに追加される。 オノログ遺伝子は、全ゲノム重複 の過程によって生じたパラログ遺伝子 です。この名前は、ケン・ウルフが最初に大野進に敬意を表して付けました。[ 55 ] オノログ [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]
異種学 2つの生物間で水平遺伝子伝達 によって生じた相同遺伝子は、異種遺伝子と呼ばれます。異種遺伝子は、水平移動する遺伝子にとって新しい環境が大きく異なる場合、異なる機能を持つことがあります。しかし一般的には、異種遺伝子は両方の生物で同様の機能を持つことが多いです。この用語はウォルター・フィッチによって造られました。[ 7 ]
ホメオロジー 同源染色体（または相同染色体の一部）とは、異種間交雑 と異質倍数体化によって ハイブリッドゲノム を形成するために集められたもので、祖先種ではその関係が完全に相同であったものである。[ 64 ] 減数分裂 中に忠実にペアリングし、二倍体遺伝につながる。しかし、一部の異質倍数体では、親ゲノムの同源染色体が相同染色体とほぼ同じくらい互いに似ている場合があり、四倍体遺伝 （減数分裂で4本の染色体がペアリング）、ゲノム間組換え 、および生殖能力の低下につながる。
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