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Filogenia genética como ramas rojas y azules dentro de la filogenia de especies grises. Arriba: una duplicación de genes ancestrales produce dos parálogos ( histona H1.1 y 1.2 ). Un evento de especiación produce ortólogos en las dos especies hijas (humana y chimpancé). Abajo: en una especie separada ( E. coli ), un gen tiene una función similar ( proteína estructuradora de nucleoides similar a una histona ) pero tiene un origen evolutivo separado y, por lo tanto, es un análogo .

La homología de secuencia es la homología biológica entre secuencias de ADN , ARN o proteínas , definidas en términos de ascendencia compartida en la historia evolutiva de la vida . Dos segmentos de ADN pueden tener ascendencia compartida debido a tres fenómenos: un evento de especiación (ortólogos) o un evento de duplicación (parálogos), o bien un evento de transferencia de genes horizontal (o lateral) (xenólogos). [1]

La homología entre ADN, ARN o proteínas se infiere típicamente de su similitud de secuencia de nucleótidos o aminoácidos . La similitud significativa es una fuerte evidencia de que dos secuencias están relacionadas por cambios evolutivos de una secuencia ancestral común. Se utilizan alineaciones de múltiples secuencias para indicar qué regiones de cada secuencia son homólogas.

Identidad, similitud y conservación [ editar ]

Una secuencia de alineación de proteínas histonas de mamíferos . Las secuencias son los residuos intermedios de 120-180 aminoácidos de las proteínas. Los residuos que se conservan en todas las secuencias se resaltan en gris. La clave siguiente denota secuencia conservada (*), mutaciones conservadoras (:), mutaciones semiconservadoras (.) Y mutaciones no conservadoras (). [2]

El término "porcentaje de homología" se utiliza a menudo para significar "similitud de secuencia", es decir, el porcentaje de residuos idénticos ( porcentaje de identidad ), o el porcentaje de residuos conservados con propiedades fisicoquímicas similares ( porcentaje de similitud ), por ejemplo, leucina e isoleucina , generalmente es utilizado para "cuantificar la homología". Basado en la definición de homología especificada anteriormente, esta terminología es incorrecta ya que la similitud de secuencia es la observación, la homología es la conclusión. [3] Las secuencias son homólogas o no. [3] Esto implica que el término "porcentaje de homología" es un nombre inapropiado. [4]

Al igual que con las estructuras morfológicas y anatómicas, la similitud de secuencia puede ocurrir debido a la evolución convergente o, como ocurre con las secuencias más cortas, por casualidad, lo que significa que no son homólogas. Las regiones de secuencia homóloga también se denominan conservadas . Esto no debe confundirse con la conservación en secuencias de aminoácidos , donde el aminoácido en una posición específica ha sido sustituido por otro diferente que tiene propiedades fisicoquímicas funcionalmente equivalentes.

La homología parcial puede ocurrir cuando un segmento de las secuencias comparadas tiene un origen compartido, mientras que el resto no. Tal homología parcial puede resultar de un evento de fusión de genes .

Ortología [ editar ]

Arriba: un gen ancestral se duplica para producir dos parálogos (genes A y B). Un evento de especiación produce ortólogos en las dos especies hijas. Abajo: en una especie separada, un gen no relacionado tiene una función similar (Gene C) pero tiene un origen evolutivo separado y, por lo tanto, es un análogo .

Las secuencias homólogas son ortólogas si se infiere que descienden de la misma secuencia ancestral separada por un evento de especiación : cuando una especie diverge en dos especies separadas, se dice que las copias de un solo gen en las dos especies resultantes son ortólogas. Los ortólogos, o genes ortólogos, son genes de diferentes especies que se originaron por descenso vertical de un solo gen del último ancestro común . El término "ortólogo" fue acuñado en 1970 por el evolucionista molecular Walter Fitch . [5]

Por ejemplo, la proteína reguladora de la gripe vegetal está presente tanto en Arabidopsis (planta superior multicelular) como en Chlamydomonas (algas verdes unicelulares). La versión de Chlamydomonas es más compleja: atraviesa la membrana dos veces en lugar de una, contiene dominios adicionales y se somete a un empalme alternativo. Sin embargo, puede sustituir por completo a la proteína Arabidopsis , mucho más simple , si se transfiere del genoma de las algas al vegetal mediante ingeniería genética . La similitud significativa de secuencia y los dominios funcionales compartidos indican que estos dos genes son genes ortólogos, [6] heredados del ancestro compartido .

La ortología se define estrictamente en términos de ascendencia. Dado que la ascendencia exacta de genes en diferentes organismos es difícil de determinar debido a la duplicación de genes y los eventos de reordenamiento del genoma, la evidencia más sólida de que dos genes similares son ortólogos generalmente se encuentra al realizar un análisis filogenético del linaje del gen. Los ortólogos a menudo, pero no siempre, tienen la misma función. [7]

Las secuencias ortólogas proporcionan información útil en la clasificación taxonómica y los estudios filogenéticos de organismos. El patrón de divergencia genética se puede utilizar para rastrear la relación de organismos. Es probable que dos organismos que están estrechamente relacionados muestren secuencias de ADN muy similares entre dos ortólogos. Por el contrario, es probable que un organismo que se aleja más evolutivamente de otro organismo muestre una mayor divergencia en la secuencia de los ortólogos que se estudian. [ cita requerida ]

Bases de datos de genes ortólogos [ editar ]

Dada su tremenda importancia para la biología y la bioinformática , los genes ortólogos se han organizado en varias bases de datos especializadas que proporcionan herramientas para identificar y analizar secuencias de genes ortólogos. Estos recursos emplean enfoques que generalmente se pueden clasificar en aquellos que usan análisis heurístico de todas las comparaciones de secuencias por pares y aquellos que usan métodos filogenéticos . Los métodos de comparación de secuencias se introdujeron por primera vez en la base de datos de los COG en 1997. [8] Estos métodos se han ampliado y automatizado en las siguientes bases de datos:

  • eggNOG [9] [10]
  • GreenPhylDB [11] [12] para plantas
  • InParanoid [13] [14] se centra en las relaciones de ortólogos por pares
  • OHNOLOGS [15] [16] es un depósito de los genes retenidos de las duplicaciones del genoma completo en los genomas de vertebrados, incluidos humanos y ratones.
  • OMA [17]
  • OrthoDB [18] aprecia que el concepto de ortología es relativo a diferentes puntos de especiación al proporcionar una jerarquía de ortólogos a lo largo del árbol de especies.
  • OrthoInspector [19] es un depósito de genes ortólogos para 4753 organismos que cubren los tres dominios de la vida.
  • OrthologID [20] [21]
  • OrthoMaM [22] [23] [24] para mamíferos
  • OrthoMCL [25] [26]
  • Resumen [27]

Los enfoques filogenéticos basados ​​en árboles tienen como objetivo distinguir la especiación de los eventos de duplicación de genes mediante la comparación de árboles de genes con árboles de especies, tal como se implementan en bases de datos y herramientas de software como:

  • LOFT [28]
  • TreeFam [29] [30]
  • OrthoFinder [31]

Una tercera categoría de enfoques híbridos utiliza métodos heurísticos y filogenéticos para construir agrupaciones y determinar árboles, por ejemplo:

  • EnsemblCompara GeneTrees [32] [33]
  • HomoloGene [34]
  • Ortoluge [35]

Paralogía [ editar ]

Los genes parálogos son genes que están relacionados a través de eventos de duplicación en el último ancestro común (LCA) de la especie que se compara. Son el resultado de la mutación de genes duplicados durante eventos de especiación separados. Cuando los descendientes del LCA comparten homólogos mutados de los genes originales duplicados, esos genes se consideran parálogos. [1]

Como ejemplo, en el LCA, un gen (gen A) puede duplicarse para crear un gen similar separado (gen B), esos dos genes continuarán pasando a las generaciones posteriores. Durante la especiación, un ambiente favorecerá una mutación en el gen A (gen A1), produciendo una nueva especie con los genes A1 y B. Luego, en un evento de especiación separado, un ambiente favorecerá una mutación en el gen B (gen B1) dando lugar a una nueva especie con genes A y B1. Los genes A1 y B1 de los descendientes son parálogos entre sí porque son homólogos que están relacionados mediante un evento de duplicación en el último ancestro común de las dos especies. [1]

Las clasificaciones adicionales de paralogs incluyen alloparalogs (out-paralogs) y symparalogs (in-paralogs). Los aloparálogos son parálogos que evolucionaron a partir de duplicaciones de genes que precedieron al evento de especiación dado. En otras palabras, los aloparálogos son parálogos que evolucionaron a partir de eventos de duplicación que ocurrieron en el LCA de los organismos que se comparan. El ejemplo anterior es un ejemplo de aloparalogía. Los Symparalogs son parálogos que evolucionaron a partir de la duplicación genética de genes parálogos en eventos de especiación posteriores. Del ejemplo anterior, si el descendiente con los genes A1 y B se sometió a otro evento de especiación donde el gen A1 se duplicó, la nueva especie tendría los genes B, A1a y A1b. En este ejemplo, los genes A1a y A1b son symparalogs. [1]

Los genes Hox de vertebrados están organizados en conjuntos de parálogos. Cada grupo de Hox (HoxA, HoxB, etc.) está en un cromosoma diferente. Por ejemplo, el grupo HoxA humano está en el cromosoma 7 . El grupo de ratones HoxA que se muestra aquí tiene 11 genes parálogos (faltan 2). [36]

Los genes parálogos pueden dar forma a la estructura de genomas completos y, por lo tanto, explicar la evolución del genoma en gran medida. Los ejemplos incluyen los genes Homeobox ( Hox ) en animales. Estos genes no solo experimentaron duplicaciones de genes dentro de los cromosomas, sino también duplicaciones del genoma completo . Como resultado, los genes Hox en la mayoría de los vertebrados se agrupan en múltiples cromosomas, siendo los grupos HoxA-D los mejor estudiados. [36]

Otro ejemplo son los genes de la globina que codifican la mioglobina y la hemoglobina y se consideran parálogos antiguos. De manera similar, las cuatro clases conocidas de hemoglobinas ( hemoglobina A , hemoglobina A2 , hemoglobina B y hemoglobina F ) son parálogos entre sí. Si bien cada una de estas proteínas cumple la misma función básica de transporte de oxígeno, ya han divergido ligeramente en función: la hemoglobina fetal (hemoglobina F) tiene una mayor afinidad por el oxígeno que la hemoglobina adulta. Sin embargo, la función no siempre se conserva. La angiogenina humana divergió de la ribonucleasa, por ejemplo, y aunque los dos parálogos siguen siendo similares en la estructura terciaria, sus funciones dentro de la célula ahora son bastante diferentes. [ cita requerida ]

A menudo se afirma que los ortólogos son funcionalmente más similares que los parálogos de divergencia similar, pero varios artículos han desafiado esta noción. [37] [38] [39]

Reglamento [ editar ]

Los parálogos a menudo se regulan de manera diferente, por ejemplo, al tener diferentes patrones de expresión específicos de tejido (ver genes Hox). Sin embargo, también pueden regularse de manera diferente a nivel de proteínas. Por ejemplo, Bacillus subtilis codifica dos parálogos de la glutamato deshidrogenasa : GudB se transcribe constitutivamente mientras que RocG está estrechamente regulado. En sus estados oligoméricos activos, ambas enzimas muestran tasas enzimáticas similares. Sin embargo, los intercambios de enzimas y promotores causan graves pérdidas de aptitud, lo que indica la coevolución promotor-enzima. La caracterización de las proteínas muestra que, en comparación con RocG, la actividad enzimática de GudB depende en gran medida del glutamato y el pH. [40]

Regiones cromosómicas parálogas [ editar ]

A veces, grandes regiones de cromosomas comparten un contenido genético similar a otras regiones cromosómicas dentro del mismo genoma. [41] Están bien caracterizados en el genoma humano, donde se han utilizado como evidencia para apoyar la hipótesis 2R . Se deduce que los conjuntos de genes duplicados, triplicados y cuadruplicados, con los genes relacionados en diferentes cromosomas, son remanentes de duplicaciones genómicas o cromosómicas. Un conjunto de regiones de paralogía se denomina en conjunto paralogon. [42] Los conjuntos bien estudiados de regiones de paralogía incluyen regiones del cromosoma humano 2, 7, 12 y 17 que contienen grupos de genes Hox , genes de colágeno , genes de queratina y otros genes duplicados, [43]regiones de los cromosomas humanos 4, 5, 8 y 10 que contienen genes de receptores de neuropéptidos, genes de homeobox de la clase NK y muchas más familias de genes , [44] [45] [46] y partes de los cromosomas humanos 13, 4, 5 y X que contienen ParaHox genes y sus vecinos. [47] El complejo principal de histocompatibilidad (MHC) en el cromosoma 6 humano tiene regiones de paralogía en los cromosomas 1, 9 y 19. [48] Gran parte del genoma humano parece asignarse a regiones de paralogía. [49]

Ohnología [ editar ]

Un evento de especiación produce ortólogos de un gen en las dos especies hijas. Un evento de transferencia de genes horizontal de una especie a otra agrega un xenólogo del gen a su genoma.
Un evento de especiación produce ortólogos de un gen en las dos especies hijas. La hibridación posterior de esas especies genera un genoma híbrido con una copia homoeológica de cada gen de ambas especies.

Genes Ohnologous son paralogous genes que se han originado por un proceso de 2R la duplicación de todo el genoma . El nombre fue dado por primera vez en honor a Susumu Ohno por Ken Wolfe. [50] Los ohnólogos son útiles para el análisis evolutivo porque todos los ohnólogos de un genoma han estado divergiendo durante el mismo período de tiempo (desde su origen común en la duplicación del genoma completo). También se sabe que los ohnologues muestran una mayor asociación con cánceres, trastornos genéticos dominantes y variaciones patógenas del número de copias. [51] [52] [53] [54] [55]

Xenología [ editar ]

Los homólogos que resultan de la transferencia horizontal de genes entre dos organismos se denominan xenólogos. Los xenólogos pueden tener diferentes funciones si el nuevo entorno es muy diferente para el gen que se mueve horizontalmente. Sin embargo, en general, los xenólogos suelen tener una función similar en ambos organismos. El término fue acuñado por Walter Fitch. [5]

Homoeología [ editar ]

Los cromosomas homoeólogos (también deletreados homeólogos) o partes de cromosomas son aquellos que se unen después de la hibridación entre especies y la alopoliploidización para formar un genoma híbrido , y cuya relación era completamente homóloga en una especie ancestral. En los alopoliploides, los cromosomas homólogos dentro de cada subgenoma parental deben emparejarse fielmente durante la meiosis , lo que conduce a la herencia disómica; sin embargo, en algunos alopoliploides, los cromosomas homoeólogos de los genomas parentales pueden ser casi tan similares entre sí como los cromosomas homólogos, lo que lleva a una herencia tetrasómica (emparejamiento de cuatro cromosomas en la meiosis), recombinación intergenómicay fertilidad reducida. [ cita requerida ]

Gametología [ editar ]

La gametología denota la relación entre genes homólogos en cromosomas de sexo opuesto no recombinantes . El término fue acuñado por García-Moreno y Mindell. [56] 2000. Los gametólogos son el resultado del origen de la determinación genética del sexo y las barreras a la recombinación entre los cromosomas sexuales. Ejemplos de gametólogos incluyen CHDW y CHDZ en aves. [56]

Ver también [ editar ]

  • Homología profunda
  • EggNOG (base de datos)
  • OrthoDB
  • Matriz ortóloga (OMA)
  • Familia proteica
  • Superfamilia de proteínas
  • TreeFam
  • Syntelog

Referencias [ editar ]

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