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Homología de secuencia

Filogenia génica como ramas rojas y azules dentro de la filogenia de especies grises. Arriba: Una duplicación génica ancestral produce dos parálogos ( histonas 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 estructurante de nucleoides similar a 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 , definida 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), un evento de duplicación (parálogos) o un evento de transferencia génica horizontal (o lateral) (xenólogos). [1]

La homología entre el ADN, el ARN o las proteínas se suele inferir a partir de la similitud de sus secuencias de nucleótidos o aminoácidos . Una similitud significativa es una prueba contundente de que dos secuencias están relacionadas por cambios evolutivos a partir de una secuencia ancestral común. Las alineaciones de múltiples secuencias se utilizan para indicar qué regiones de cada secuencia son homólogas.

Identidad, similitud y conservación

Alineación de secuencias de proteínas histónicas de mamíferos . Las secuencias son los residuos de aminoácidos 120 a 180 centrales de las proteínas. Los residuos que se conservan en todas las secuencias se resaltan en gris. La clave que aparece a continuación indica 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 , se utiliza normalmente para "cuantificar la homología". Con base 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 secuencias 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 las secuencias de aminoácidos , donde el aminoácido en una posición específica ha sido sustituido por uno 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. Esta homología parcial puede ser resultado de un evento de fusión génica .

Ortología

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 distinta, un gen no relacionado tiene una función similar (gen C) pero tiene un origen evolutivo distinto 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 en diferentes especies que se originaron por descendencia vertical a partir 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 de la planta está presente tanto en Arabidopsis (planta multicelular superior) como en Chlamydomonas (alga verde unicelular). La versión de Chlamydomonas es más compleja: cruza la membrana dos veces en lugar de una, contiene dominios adicionales y sufre un empalme alternativo. Sin embargo, puede sustituir por completo a la proteína mucho más simple de Arabidopsis , si se transfiere del genoma de las algas al de la planta mediante ingeniería genética . La similitud significativa de secuencias 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 los genes en diferentes organismos es difícil de determinar debido a eventos de duplicación de genes y reordenamiento del genoma, la evidencia más sólida de que dos genes similares son ortólogos generalmente se encuentra al realizar un análisis filogenético del linaje genético. 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 los organismos. El patrón de divergencia genética se puede utilizar para rastrear el parentesco entre los organismos. Es probable que dos organismos que están muy estrechamente relacionados muestren secuencias de ADN muy similares entre dos ortólogos. Por el contrario, es probable que un organismo que se encuentre más alejado evolutivamente de otro organismo muestre una mayor divergencia en la secuencia de los ortólogos estudiados. [ cita requerida ]

Bases de datos de genes ortólogos

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 se pueden clasificar generalmente en aquellos que utilizan el análisis heurístico de todas las comparaciones de secuencias por pares y aquellos que utilizan métodos filogenéticos . Los métodos de comparación de secuencias se introdujeron por primera vez en la base de datos COGs en 1997. [8] Estos métodos se han ampliado y automatizado en doce bases de datos diferentes, siendo la más avanzada AYbRAH Analyzing Yeasts by Reconstructing Ancestry of Homologs [9] , así como las siguientes bases de datos en este momento.

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

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

Paralogía

Los genes paralógicos 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 duplicados originales, entonces esos genes se consideran parálogos. [1]

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

Las clasificaciones adicionales de los parálogos incluyen aloparálogos (out-parálogos) y simparalogos (in-parálogos). Los aloparálogos son parálogos que evolucionaron a partir de duplicaciones genéticas 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 están comparando. El ejemplo anterior es un ejemplo de aloparalogía. Los simparalogos 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 experimentó 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 simparalogos. [1]

Los genes Hox de vertebrados están organizados en conjuntos de parálogos. Cada grupo Hox (HoxA, HoxB, etc.) se encuentra en un cromosoma diferente. Por ejemplo, el grupo HoxA humano se encuentra en el cromosoma 7. El grupo HoxA del ratón que se muestra aquí tiene 11 genes parálogos (faltan 2). [37]

Los genes paralógicos pueden dar forma a la estructura de genomas completos y, por lo tanto, explicar la evolución del genoma en gran medida. Algunos ejemplos incluyen los genes Homeobox ( Hox ) en animales. Estos genes no solo sufrieron duplicaciones genéticas dentro de los cromosomas , sino también duplicaciones de todo el genoma . Como resultado, los genes Hox en la mayoría de los vertebrados se agrupan en múltiples cromosomas, siendo los grupos HoxA-D los mejor estudiados. [37]

Otro ejemplo son los genes de 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 su 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 si bien los dos parálogos siguen siendo similares en su 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 cuestionado esta noción. [38] [39] [40]

Regulación

Los parálogos suelen estar regulados de forma diferente, por ejemplo, al tener diferentes patrones de expresión específicos de tejido (ver genes Hox). Sin embargo, también pueden estar regulados de forma diferente a nivel proteico. Por ejemplo, Bacillus subtilis codifica dos parálogos de la glutamato deshidrogenasa : GudB se transcribe de forma constitutiva, mientras que RocG está regulada de forma estricta. 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 una 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. [41]

Regiones cromosómicas paralógicas

A veces, grandes regiones de cromosomas comparten contenido genético similar a otras regiones cromosómicas dentro del mismo genoma. [42] Están bien caracterizadas 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 restos de duplicaciones genómicas o cromosómicas. Un conjunto de regiones de paralogía se denomina en conjunto paralogón . [43] Los conjuntos de regiones de paralogía bien estudiados incluyen regiones de los cromosomas humanos 2, 7, 12 y 17 que contienen grupos de genes Hox , genes de colágeno , genes de queratina y otros genes duplicados, [44] regiones de los cromosomas humanos 4, 5, 8 y 10 que contienen genes de receptores de neuropéptidos, genes homeobox de clase NK y muchas más familias de genes , [45] [46] [47] y partes de los cromosomas humanos 13, 4, 5 y X que contienen los genes ParaHox y sus vecinos. [48] El complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) en el cromosoma humano 6 tiene regiones de paralogía en los cromosomas 1, 9 y 19. [49] Gran parte del genoma humano parece ser asignable a regiones de paralogía. [50]

Ohnología

Los genes ohnólogos son genes parálogos que se han originado mediante un proceso de duplicación de todo el genoma . El nombre fue dado por primera vez en honor a Susumu Ohno por Ken Wolfe. [51] Los ohnólogos son útiles para el análisis evolutivo porque todos los ohnólogos en 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 ohnólogos muestran una mayor asociación con cánceres, trastornos genéticos dominantes y variaciones patógenas en el número de copias. [52] [53] [54] [55] [56]

Xenología

Los homólogos resultantes 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]

Homeología

Los cromosomas homólogos (también escritos 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. [57] En los alopoliploides, los cromosomas homólogos dentro de cada subgenoma parental deben aparearse fielmente durante la meiosis , lo que lleva a la herencia disómica; sin embargo, en algunos alopoliploides, los cromosomas homólogos de los genomas parentales pueden ser casi tan similares entre sí como los cromosomas homólogos, lo que lleva a la herencia tetrasómica (cuatro cromosomas apareándose en la meiosis), la recombinación intergenómica y la fertilidad reducida. [ cita requerida ]

Gametología

La gametología denota la relación entre genes homólogos en cromosomas sexuales opuestos no recombinantes . El término fue acuñado por García-Moreno y Mindell. [58] 2000. Los gametólogos son el resultado del origen de la determinación genética del sexo y de las barreras a la recombinación entre cromosomas sexuales. Algunos ejemplos de gametólogos incluyen CHDW y CHDZ en aves. [58]

Véase también

Referencias

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