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世界范圍內(nèi)的多物種基因組計(jì)劃和各類測序工作已經(jīng)形成了海量的序列數(shù)據(jù)資源, 它們正在使基因組研究發(fā)生革命性變化, 信息和新技術(shù)的迅速發(fā)展也表明: 分子遺傳革新將是今后幾十年的發(fā)展方向。尤其是從整體上而不是僅從某個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因入手來研究生物體基因組的機(jī)能, 已經(jīng)在短短幾年迅速發(fā)展壯大起來, 比較基因組學(xué)也就成了各種生物學(xué)發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)有力工具[1~3]。隨著各種序列數(shù)據(jù)的積累和研究的深入, 人們的注意力逐漸轉(zhuǎn)向各類序列的功能上來, 而多數(shù)物種功能基因組研究卻相對滯后。所以, 選擇用模式生物來進(jìn)行比較基因組分析而實(shí)現(xiàn)功能基因信息的轉(zhuǎn)移將是zui有效的途徑。直向同源序列(Orthologs)被認(rèn)為在不同的物種中具有相近甚至相同的功能、相似的調(diào)控途徑, 扮演相似甚至相同的角色, 而且, 絕大多數(shù)核心生物功能就是由相當(dāng)數(shù)量的直向同源基因所承擔(dān) [4, 5]。因此, 它們是基因組序列的功能注釋與分析中zui可靠的 選擇。
1 直向同源基因的基本特性
直向同源基因又稱“垂直同源基因"、“直系同源基因"或“定向進(jìn)化同源基因", 是指在物種形成時(shí)從同一祖先垂直進(jìn)化而來的基因, 或者說, 一個(gè)祖先物種分化產(chǎn)生兩種新物種, 那么這兩種新物種共同具有的由這個(gè)祖先物種繼承下來的基因就是直向同源基因[6]。直向同源基因通常是編碼生命必需的酶、輔酶或關(guān)鍵性調(diào)控蛋白的基因, 具有功能保守、進(jìn)化緩慢、變化速度可覆蓋整個(gè)進(jìn)化歷史、序列變化速度與進(jìn)化距離相當(dāng)?shù)忍卣?。它代表了進(jìn)化上分離的物種間保守的單拷貝基因, 通常在物種進(jìn)化過程中保持一種相當(dāng)或是相似的功能[7, 8], 因此, 比較基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)等多方面都依賴于直向同源基因集的鑒別, 包括比較基因組定位、系統(tǒng)發(fā)生研究、編碼區(qū)自然選擇模式解析、物種間共有基因的功能預(yù)測等[9]。
可見, 直向同源是指物種進(jìn)化上的一種關(guān)系, 由于過去的進(jìn)化歷史是無法重演的, 因此, 從意義上說, 直向同源基因是無法用實(shí)驗(yàn)鑒別的。于是, 我們只能研究出新的方法推測序列在不同物種進(jìn)化上的。然而, 不管何種方法, 都是基于一個(gè)理念: 進(jìn)化上越接近的序列, 其相似性(包括序列、結(jié)構(gòu)、功能等)也較大。所以, 我們只能通過相似性來推測直向同源關(guān)系, 尤其是在當(dāng)前絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都是序列數(shù)據(jù)的條件下。
2 直向同源序列與比較基因組學(xué)
多種序列的出現(xiàn), 尤其是全基因組序列, 為我們提供了寶貴的“財(cái)富"。對這些序列進(jìn)行比較基因組學(xué)分析是克隆基因、揭示基因功能和疾病分子機(jī)制、闡明物種進(jìn)化關(guān)系及基因組內(nèi)在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ), 而基因間的直向同源關(guān)系, 似乎是比較基因組學(xué)的一個(gè)自然框架, 將為基因組功能注釋和大規(guī)模的進(jìn)化研究提供方便[10, 11]。直向同源基因的特殊生物學(xué)特性決定: 利用直向同源序列開展比較基因組學(xué)研究, 必將為探測不同生物在進(jìn)化過程中重要功能基因的出現(xiàn)、表達(dá)和丟失提供線索。具體地講, 包括如下3個(gè)方面內(nèi)容。