配列相同性

配列相同性は、DNA、RNA、またはタンパク質配列間の生物学的相同性であり、生命の進化の歴史における共通の祖先の観点から定義されます。 DNAの2つのセグメントが共通の祖先を持つことができるのは、種分化イベント（オルソログ）、複製イベント（パラログ）、または水平（または横方向）遺伝子移動イベント（ゼノログ）の3つの現象によるものです。^[1]

DNA、RNA、またはタンパク質間の相同性は、通常、ヌクレオチドまたはアミノ酸配列の類似性から推測されます。有意な類似性は、2 つの配列が共通の祖先配列からの進化的変化によって関連していることを示す強力な証拠です。複数の配列のアラインメントは、各配列のどの領域が相同であるかを示すために使用されます。

「相同性パーセント」という用語は、「配列類似性」、すなわち同一残基のパーセント（同一性パーセント）または類似の物理化学的特性で保存された残基のパーセント（類似性パーセント）（例：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、「相同性を定量化」するために通常使用されます。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]配列は相同であるかそうでないかのどちらかです。^[3]これは、「相同性パーセント」という用語は誤った名称であることを意味します。^[4]

形態学的および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発生する場合もあれば、より短い配列のように偶然に発生する場合もあるため、相同性がないことを意味する。相同配列領域は保存されているとも呼ばれる。これをアミノ酸配列の保存と混同しないように注意する必要がある。アミノ酸配列の保存では、特定の位置のアミノ酸が、機能的に同等の物理化学的特性を持つ別のアミノ酸に置換されている。

部分的な相同性は、比較された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、発生することがあります。このような部分的な相同性は、遺伝子融合イベントによって生じる可能性があります。

相同配列は、種分化によって分離された同じ祖先配列から派生したものと推測される場合、オーソログである。つまり、種が2つの別々の種に分岐した場合、結果として生じた2つの種の単一遺伝子のコピーはオーソログであると言われる。オーソログ、またはオーソログ遺伝子は、最後の共通祖先の単一遺伝子から垂直に派生した異なる種の遺伝子である。「オーソログ」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られた。^[5]

例えば、植物インフルエンザ調節タンパク質は、シロイヌナズナ（多細胞高等植物）とクラミドモナス（単細胞緑藻）の両方に存在します。クラミドモナスバージョンはより複雑で、膜を1回ではなく2回通過し、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移された場合、はるかに単純なシロイヌナズナ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有機能ドメインは、これら2つの遺伝子が共通の祖先から受け継がれた相同遺伝子^[6]であることを示しています。

オーソロジーは厳密に祖先の観点から定義されます。異なる生物の遺伝子の正確な祖先は遺伝子の重複やゲノムの再編成により確認することが難しいため、2つの類似遺伝子がオーソログであるという最も強力な証拠は通常、遺伝子系統の系統発生解析を行うことで見つかります。オーソログは多くの場合同じ機能を持ちますが、常にそうであるとは限らないのです。^[7]

オーソログ配列は、生物の分類学上の分類と系統発生の研究において有用な情報を提供します。遺伝的相違のパターンは、生物の関連性を追跡するために使用できます。非常に近縁の 2 つの生物は、2 つのオーソログ間で非常に類似した DNA 配列を示す可能性があります。逆に、別の生物から進化的に離れた生物は、研究対象のオーソログの配列に大きな相違を示す可能性があります。^{[引用が必要]}

生物学とバイオインフォマティクスにとって非常に重要なことから、オーソログ遺伝子は、オーソログ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、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方法と、系統学的方法を使用する方法に一般的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COGデータベースで初めて開発されました。^[8]これらの方法は、12の異なるデータベースに拡張および自動化されており、最も先進的なのはAYbRAH Analyzing Yeasts by Reconstructing Ancestry of Homologs ^[9]と、現在次のデータベースです。

• エッグノッグ^{[10] [11]}
• GreenPhylDB ^{[12] [13]}植物用
• パラノイド^{[14] [15]}では、対比相同関係に焦点を当てている
• OHNOLOGS ^{[16] [17]}は、ヒトやマウスを含む脊椎動物ゲノムの全ゲノム重複から保持された遺伝子のリポジトリです。
• オマ^[18]
• OrthoDB ^[19]は、種の樹形図に沿ってオルソログの階層を提供することで、オルソロジーの概念が異なる種分化点に相対的であることを理解しています。
• OrthoInspector ^[20]は、生命の3つのドメインをカバーする4753の生物の相同遺伝子のリポジトリです。
• オーソログID ^{[21] [22]}
• OrthoMaM ^{[23] [24] [25]}哺乳類用
• オルソMCL ^{[26] [27]}
• ラウンドアップ^[28]

ツリーベースの系統学的アプローチは、遺伝子ツリーと種のツリーを比較することで、種分化と遺伝子重複イベントを区別することを目的としており、次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ます。

• ロフト^[29]
• ツリーファム^{[30] [31]}
• オルソファインダー^[32]

ハイブリッド アプローチの 3 番目のカテゴリでは、ヒューリスティック手法と系統学的手法の両方を使用してクラスターを構築し、ツリーを決定します。次に例を示します。

• EnsemblCompara GeneTrees ^{[33] [34]}
• ホモロ遺伝子^[35]
• オルトリュージュ^[36]

パラログ遺伝子とは、比較対象となる種の最後の共通祖先（LCA）における重複イベントを介して関連している遺伝子です。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した結果生じます。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する場合、それらの遺伝子はパラログと見なされます。^[1]

たとえば、LCA では、1 つの遺伝子 (遺伝子 A) が複製されて別の類似の遺伝子 (遺伝子 B) が作られ、これら 2 つの遺伝子はその後の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 (遺伝子 A1) の突然変異を促し、遺伝子 A1 と B を持つ新しい種を生み出します。その後、別の種分化イベントで、ある環境が遺伝子 B (遺伝子 B1) の突然変異を促し、遺伝子 A と B1 を持つ新しい種を生み出します。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複製イベントを介して関連している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立つ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、アロパラロジーの例です。シンパラログは、その後の種分化イベントで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 がシンパラログです。^[1]

パラロガス遺伝子はゲノム全体の構造を形作るため、ゲノムの進化をかなりの部分で説明することができます。例としては、動物のホメオボックス（Hox ）遺伝子が挙げられます。これらの遺伝子は染色体内での遺伝子重複だけでなく、ゲノム全体の重複も受けています。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化しており、HoxA-Dクラスターが最もよく研​​究されています。^[37]

もう 1 つの例は、ミオグロビンとヘモグロビンをコードし、古代のパラログであると考えられているグロビン遺伝子です。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ますが、機能はすでにわずかに異なっています。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くなっています。ただし、機能は必ずしも保存されているわけではありません。たとえば、ヒトのアンジオジェニンは​​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、細胞内での機能はまったく異なります。^{[引用が必要]}

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概念に異議を唱えている。^{[38] [39] [40]}

パラログは、例えば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異なる方法で制御されることもある。例えば、枯草菌はグルタミン酸脱水素酵素の2つのパラログをコードしている。GudBは恒常的に転写されるが、RocGは厳密に制御されている。活性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。タンパク質の特性評価により、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ことがわかった。^[41]

時には、染色体の大きな領域が、同じゲノム内の他の染色体領域と類似した遺伝子内容を共有していることがあります。^[42]これらはヒトゲノムでよく特徴付けられており、2R仮説を支持する証拠として使用されています。異なる染色体上に関連する遺伝子を持つ、重複、三重、四重の遺伝子のセットは、ゲノムまたは染色体の重複からの名残であると推測されます。パラロジー領域のセットは、まとめてパラロゴンと呼ばれます。^{[43]よく研究されているパラロジー領域のセットには、} Hox遺伝子クラスター、コラーゲン遺伝子、ケラチン遺伝子、その他の重複遺伝子を含むヒト染色体2、7、12、17の領域、 ^{[44]神経ペプチド受容体遺伝子、NKクラス}ホメオボックス遺伝子、その他多くの遺伝子ファミリーを含むヒト染色体4、5、8、10の領域、^{[45] [46] [ 47]および}ParaHox遺伝子とその隣接遺伝子を含むヒト染色体13、4、5、Xの一部が含まれます。^[48]ヒト染色体6上の主要組織適合遺伝子複合体（MHC）には、染色体1、9、19にパラロジー領域があります。^[49]ヒトゲノムの大部分はパラロジー領域に割り当てられるようです。^[50]

オノロガス遺伝子は、全ゲノム重複のプロセスによって生じたパラロガス遺伝子である。この名前は、ケン・ウルフが大野進に敬意を表して初めて付けた。 ^[51]オノロガス遺伝子は、ゲノム内のすべてのオノロガスが同じ期間（全ゲノム重複という共通の起源以来）分岐しているため、進化解析に有用である。オノロガス遺伝子は、がん、優性遺伝疾患、病原性コピー数変異との関連性が高いことでも知られている。^{[52] [53] [54] [55] [56]}

2 つの生物間の水平遺伝子移動によって生じた相同遺伝子は異種遺伝子と呼ばれます。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、異種遺伝子は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ちます。この用語はウォルター・フィッチによって造られました。^[5]

同祖染色体（homeologousとも綴る）または染色体の一部は、種間交雑および異質倍数化の後に雑種ゲノムを形成するために集められ、祖先種では関係が完全に相同であったものである。^[57]異質倍数体では、各親サブゲノム内の相同染色体は減数分裂中に忠実に対合し、二染色体遺伝につながる。しかし、一部の異質倍数体では、親ゲノムの同祖染色体が相同染色体とほぼ同じくらい互いに類似している場合があり、四染色体遺伝（減数分裂時に4つの染色体が対合）、ゲノム間組換え、および生殖能力の低下につながる。^[要出典]

配偶子論は、組み換えのない反対の性染色体上の相同遺伝子間の関係を示す。この用語は、ガルシア・モレノとミンデルによって造られた。^{[58] 2000。配偶子論は、遺伝的}性別決定の起源と性染色体間の組み換えに対する障壁から生じる。配偶子論の例には、鳥類のCHDWとCHDZがある。^[58]

• 深い相同性
• EggNOG (データベース)
• オルソDB
• オーソログマトリックス(OMA)
• フェエバー
• タンパク質ファミリー
• タンパク質スーパーファミリー
• ツリーファム
• シンテログ