Was ist der Unterschied zwischen Orthologen, Paralogen und Homologen?

Diese drei Begriffe werden in der Literatur oft missbraucht. Viele Forscher scheinen sie als Synonyme zu behandeln. Was ist also die Definition jedes dieser Begriffe und wie unterscheiden sie sich voneinander?

Ein weiteres Ärgernis: Homologie ist qualitativ, nicht quantitativ. Es ist also einfach falsch, von "signifikanter Homologie" oder "schwacher Homologie" zu sprechen.
Ich hoffe, Sie verstehen, worauf es ankommt - die Definitionen sind klar, aber die Bestimmung, ob zwei Gene Paraloge oder Orthologe sind, liegt im Graubereich. Anpassung kann einem Gen auch ohne Duplikation neue Funktionen und Phänotypen verleihen, sodass zwei Paraloge so unterschiedlich sein können wie Orthologe.
@shigeta, ich bin mir nicht sicher, was du meinst. Normalerweise sind Orthologe ähnlicher als Paralogs, gerade weil funktionale Divergenz oft auf Duplikation folgt. Paraloge Gene haben oft andere Funktionen und daher weniger Sequenzähnlichkeit als Orthologe. Was den Erwerb neuartiger Funktionen ohne Duplizierung betrifft, glauben Sie mir, ich weiß, dass ich die letzten paar Jahre damit verbracht habe, an Schwarzarbeitsproteinen zu arbeiten :).
Ich sage, dass Orthologe einander relativ wenig ähneln – ihre Sequenz kann bis zu dem Punkt divergieren, an dem sie nicht mehr ausgerichtet sind, oder sie können zusätzlich zur ursprünglichen Funktion sekundäre Funktionen erwerben. Denken Sie an e coli - fliegen Orthologe. Im bakteriellen Genomraum ist dies ein häufiges Problem.
Bezüglich der Funktion von Paralogen ist noch zu erwähnen, dass sie in manchen Fällen nicht in ihrer Funktion auseinandergehen, sondern ihre Funktion behalten, aber unter anderen Bedingungen oder als genetische Backups arbeiten.
In der Biologie sind Definitionen nur „vorgeschlagene Richtlinien“. Oft kooperieren die Organismen aber nicht.
Ja, Biologie, dieses wunderbare Land der Grautöne ... @shigeta, ich stimme vollkommen zu, es ist nur so, dass Sie in Ihrem ursprünglichen Kommentar gesagt haben: "Zwei Paraloge können so unterschiedlich sein wie Orthologe". Ich denke, Sie haben es anders gemeint um.

Antworten (3)

Zunächst ein Hinweis zur Rechtschreibung. Sowohl "ortholog" als auch "orthologue" sind korrekt, das eine ist die amerikanische und das andere die britische Schreibweise. Dasselbe gilt für Homolog und Paralog.

Auf zur Biologie. Homologie ist der Oberbegriff, sowohl Ortho- als auch Paraloge sind Homologe. Verwenden Sie daher im Zweifelsfall "Homologe". Jedoch:

  • Orthologe sind homologe Gene, die das Ergebnis eines Artbildungsereignisses sind .

  • Paraloge sind homologe Gene, die das Ergebnis eines Duplikationsereignisses sind .

Das folgende Bild, (leicht) adaptiert von [ 1 ], verdeutlicht die Unterschiede:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Teil (a) des obigen Diagramms zeigt eine hypothetische Evolutionsgeschichte eines Gens. Das angestammte Genom hatte zwei Kopien dieses Gens (A und B), die Paraloge waren . Irgendwann spaltete sich die Ahnenart in zwei Tochterarten auf, deren Genom jeweils zwei Kopien des duplizierten Ahnengens (A1, A2 und B1, B2) enthält.

Diese Gene sind alle zueinander homolog, aber sind sie Paraloge oder Orthologe? Da das Duplikationsereignis, das die Gene A und B erzeugte, vor dem Speziationsereignis stattfand, das die Arten 1 und 2 erzeugte, sind die A-Gene Paraloge von B-Genen und 1-Gene sind Orthologe von 2 Genen:

  • A1 und B1 sind Paraloge
  • A1 und B2 sind Paraloge .
  • A2 und B1 sind Paraloge .

  • A2 und B2 sind Paraloge .

  • A1 und A2 sind Orthologe .

  • B1 und B2 sind Orthologe

Dies ist jedoch ein sehr einfacher Fall. Was passiert, wenn nach einem Artbildungsereignis eine Duplikation auftritt? In Teil (b) des obigen Diagramms wurde das Ahnengen nur in der Abstammungslinie von Art 2 dupliziert. Daher gilt in (b) :

  • A2 und B2 sind Orthologe von A1.
  • A2 und B2 sind Paraloge voneinander.

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass paraloge Gene jene homologen Gene sind, die sich im selben Genom befinden, während orthologe Gene diejenigen sind, die sich in unterschiedlichen Genomen befinden. Wie Sie im obigen Beispiel sehen können, ist dies absolut nicht wahr. Obwohl dies so geschehen kann, hängt Ortho- vs. Paralogie ausschließlich von der Evolutionsgeschichte der beteiligten Gene ab. Wenn Sie nicht wissen, ob eine bestimmte Homologiebeziehung das Ergebnis einer Genduplikation oder eines Artbildungsereignisses ist, können Sie nicht wissen, ob es sich um Paralogie oder Orthologie handelt.

Verweise

  1. RA Jensen, Orthologs and paralogs – we need to get it right, Genome Biology , 2(8), 2001

Vorgeschlagene Literatur:

Ich kann den oben genannten Jensen-Artikel sehr empfehlen. Ich habe es gelesen, als ich anfing, mich mit vergleichender Genomik und Evolution zu beschäftigen, und es ist eine wunderbar klare und prägnante Erklärung der Begriffe. Einige der darin referenzierten Artikel sind ebenfalls lesenswert:

  • Koonin EV: Eine Entschuldigung für Orthologe – oder mutige neue Meme. Genome Biol , 2001, 2 : Kommentar 1005.1-1005.2.
  • Petsko GA: Homologephobie. Genome Biol 2001, 2 : Kommentar 1002.1-1002.2.
  • Fitch WM: Unterscheidung zwischen homologen und analogen Proteinen. Syst Zool 1970, 19 : 99-113. (von historischem Interesse, die Begriffe wurden hier erstmals verwendet)
  • Fitch WM: Homologie eine persönliche Sicht auf einige der Probleme. Trends Genet 2000, 16 :227-31.
Sehr schöner Artikel, +1
@Januar, oder? Ich schicke es seit Jahren an alle, die mir die Frage Ortho vs. Para stellen. Ich dachte, ich würde es mit euch allen hier teilen :).
Bei einem Paar von Genen, die sowohl durch Speziation als auch durch Duplikation divergiert sind, handelt es sich also um Orthologe oder Paraloge, je nachdem, welches Divergenzereignis zuerst aufgetreten ist. Ist das richtig?
jetzt bin ich total verwirrt :)
@liyuan Verwenden Sie in diesem Fall einfach Homolog und belassen Sie es dabei. Oder komm in den Biologie-Chat und wir können versuchen, es zu erklären :)

Sowohl Orthologe als auch Paraloge sind Arten von Homologen, das heißt, sie bezeichnen Gene, die von derselben Ahnensequenz abstammen.

Orthologe sind korrespondierende Gene in verschiedenen Abstammungslinien und ein Ergebnis der Speziation, während Paralogs aus einer Genduplikation resultieren. Dies hat oft wichtige Implikationen: Während Orthologe oft dieselbe Rolle erfüllen, neigen Paraloge dazu, in ihrer Funktion zu divergieren, sodass Paralogie ein schlechterer Indikator für funktionale Analogie ist als Orthologie.

Dies ist jedoch nur die Spitze des Eisbergs, da die Situation viel komplexer sein kann (siehe zum Beispiel das Problem der versteckten Paralogie).

Es gibt einen großartigen Artikel von Fitch zu diesem Thema.

Gibt es neue Ideen, um die Probleme anzugehen, die Fitch vor 20 Jahren aufgeworfen hat?

Zunächst die Definition: Zwei Gene sind homolog, wenn sie von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen. Wenn zwei Nukleotidsequenzen eine Identität von mindestens 30 % (oder mehr als 10 % Aminosäuresequenz) aufweisen, stammen sie im Allgemeinen wahrscheinlich von einem gemeinsamen Vorfahren, sie sind jedoch möglicherweise nicht homolog. Beachten Sie, dass das Gegenteil nicht gilt: Zwei Gene können auch Homologe sein, wenn keine Ähnlichkeit besteht; dies geschieht jedes Mal, wenn die Drift lang genug war (viele Gene sind sich nicht mehr ähnlich – über zufällige Identität hinaus – nach 1 Milliarde Jahren; nur hochkonservierte Gene behalten eine gewisse Ähnlichkeit).

Zusätzlich zu den anderen Antworten ein weiteres Diagramm und weitere Begriffe:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(nach WM Fitch, Trends in Genetics, 16, 5, Mai 2000, S. 228)

  • B1 und C1 sind (1:1)-Orthologe
  • B1, C2 und C3 sind (1:n)-Orthologe
  • A1 und AB1 sind Xenologe (horiz. Gentransfer)

Ich denke, (1:n) ortholog ist ein Synonym für outparalog .

Klaus D. Grasser: Annual Plant Reviews, Regulation of Transcription in Plants (Band 29). Wiley-Blackwell, ISBN 1-4051-4528-5, p. 37.

Es tut mir leid, aber das ist einfach nicht wahr. >=30% nt und >=10% aa reichen nicht aus, um Homologie nachzuweisen. Beispielsweise können sich 2 lange Proteine ​​eine Domäne teilen. Sie können leicht > 10 % AS-Identität aufweisen und überhaupt nicht homolog sein. In jedem Fall bedeutet > = 30% nt nicht, dass es "keine andere mögliche Erklärung" gibt, sondern Homologie, Sie vergessen die konvergente Evolution. Als bekanntes Beispiel zeigen AFGP-Proteine ​​von D. mawsoni und B. saida 69 % Sequenzidentität , sind aber nicht homolog .
Ich bin mir der konvergenten Evolution sowie der Wiederholung von Sequenzteilen bewusst. Es gibt auch die Erhaltung von Domänen in Bezug auf nicht-funktionale Teile. Deshalb habe ich "allgemein" geschrieben.
Angesichts der Qualität Ihrer vielen anderen Antworten müssen Sie sich dessen wohl bewusst sein :). Ich sage nur, dass es keine magische Sequenzähnlichkeitsschwelle gibt, die Homologie bedeutet. Ich habe auf diesen Satz reagiert: "Es kann keine andere Erklärung als die gemeinsame Abstammung für diese Tatsache geben".
Ich habe Ihre Antwort so geändert, dass sie in ihrer Aussage, die Terdon in Frage stellte, weniger eindringlich war. Wenn Sie damit nicht einverstanden sind, können Sie die Änderung ablehnen.
Was ist der Unterschied zwischen Orthologen, Paralogen und Homologen?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 38v