基于直向同源序列的比较基因组学研究

齐一生物科技（上海）有限公司齐一生物编辑报道！

世界范围内的多物种基因组计划和各类测序工作已经形成了海量的序列数据资源, 它们正在使基因组研究发生革命性变化, 信息和新技术的迅速发展也表明: 分子遗传革新将是今后几十年的发展方向。尤其是从整体上而不是仅从某个或少数几个基因入手来研究生物体基因组的机能, 已经在短短几年迅速发展壮大起来, 比较基因组学也就成了各种生物学发现的强有力工具[1~3]。随着各种序列数据的积累和研究的深入, 人们的注意力逐渐转向各类序列的功能上来, 而多数物种功能基因组研究却相对滞后。所以, 选择用模式生物来进行比较基因组分析而实现功能基因信息的转移将是zui有效的途径。直向同源序列(Orthologs)被认为在不同的物种中具有相近甚至相同的功能、相似的调控途径, 扮演相似甚至相同的角色, 而且, 绝大多数核心生物功能就是由相当数量的直向同源基因所承担 [4, 5]。因此, 它们是基因组序列的功能注释与分析中zui可靠的 选择。
1 直向同源基因的基本特性
直向同源基因又称“垂直同源基因"、“直系同源基因"或“定向进化同源基因", 是指在物种形成时从同一祖先垂直进化而来的基因, 或者说, 一个祖先物种分化产生两种新物种, 那么这两种新物种共同具有的由这个祖先物种继承下来的基因就是直向同源基因[6]。直向同源基因通常是编码生命必需的酶、辅酶或关键性调控蛋白的基因, 具有功能保守、进化缓慢、变化速度可覆盖整个进化历史、序列变化速度与进化距离相当等特征。它代表了进化上分离的物种间保守的单拷贝基因, 通常在物种进化过程中保持一种相当或是相似的功能[7, 8], 因此, 比较基因组学、系统生物学、进化生物学等多方面都依赖于直向同源基因集的鉴别, 包括比较基因组定位、系统发生研究、编码区自然选择模式解析、物种间共有基因的功能预测等[9]。
可见, 直向同源是指物种进化上的一种关系, 由于过去的进化历史是无法重演的, 因此, 从意义上说, 直向同源基因是无法用实验鉴别的。于是, 我们只能研究出新的方法推测序列在不同物种进化上的。然而, 不管何种方法, 都是基于一个理念: 进化上越接近的序列, 其相似性(包括序列、结构、功能等)也较大。所以, 我们只能通过相似性来推测直向同源关系, 尤其是在当前绝大多数数据都是序列数据的条件下。
2 直向同源序列与比较基因组学
多种序列的出现, 尤其是全基因组序列, 为我们提供了宝贵的“财富"。对这些序列进行比较基因组学分析是克隆基因、揭示基因功能和疾病分子机制、阐明物种进化关系及基因组内在结构的基础, 而基因间的直向同源关系, 似乎是比较基因组学的一个自然框架, 将为基因组功能注释和大规模的进化研究提供方便[10, 11]。直向同源基因的特殊生物学特性决定: 利用直向同源序列开展比较基因组学研究, 必将为探测不同生物在进化过程中重要功能基因的出现、表达和丢失提供线索。具体地讲, 包括如下3个方面内容。