Homolog (fra andet græsk ὅμοιος - "lignende, lignende" + λογος - "ord, lov") i biologi er dele af sammenlignede organismer, der har en fælles oprindelse (svarende til hinanden på grund af disse organismers forhold). Homologi kontrasteres med analogi , hvor organer ikke deler en fælles oprindelse, men har ligheder [1] [2] [3] . Så en fugls vinge er homolog med den menneskelige hånd og ligner vingen på et insekt .
Begrebet homologi opstod i komparativ anatomi , men anvendes nu på nukleotidsekvenser i genomet og endda på adfærdstræk [4] . Derudover bruges udtrykket "homologi" i en beslægtet, men noget anderledes betydning i værker af N. I. Vavilov og senere forfattere om loven om homologiske serier i arvelig variabilitet .
Begrebet homologi i biologi blev introduceret af Richard Owen i 1840'erne, som ikke satte sig selv til opgave at løse fylogenetiske problemer [5] [6] [7] . Han foreslog at skelne lignende :
"... en del eller et organ i et dyr, der har samme funktion som en anden del eller et organ i et andet dyr ..."og homologe strukturer:
"det samme organ i forskellige dyr under enhver form og funktion ..."Med begrebet homologi associerede Owen begrebet arketype eller bygningsplan . Ved at sammenligne skeletterne rekonstruerede Owen hvirveldyrarketypen og arketyperne for hver af de dengang anerkendte klasser af hvirveldyr ( fisk , krybdyr , fugle og pattedyr ) . Han betragtede skeletterne af specifikke hvirveldyr som virkelige legemliggørelser af disse arketyper. Efter hans eksempel rekonstruerede Thomas Huxley arketypen (bygningsplanen) af bløddyr . Søgen efter byggeplaner for forskellige grupper af dyr og planter blev en af de vigtigste opgaver for sammenlignende anatomi i anden halvdel af det 19. århundrede.
Med fremkomsten af evolutionær tankegang , begyndende med Charles Darwins arbejde , er begreberne homologi og arketype blevet genfortolket. Homologe organer begyndte at blive betragtet som organer arvet fra en fælles forfader, og arketypen begyndte at blive betragtet som en hypotetisk fælles forfader til den gruppe, som den blev rekonstrueret til. [9]
Det skal bemærkes, at selv før Owens arbejde blev der gjort forsøg på at formalisere proceduren for sammenligning af levende væsener og at udvikle generelle principper for komparativ anatomi. Så Etienne Geoffroy Saint-Hilaire udviklede i sit arbejde " Anatomical Philosophy " teorien om analoger og formulerede loven om forbindelser . Baseret på Aristoteles ' lære om analogier forsøgte han at give begrebet en analog større stringens, for at finde kriterier og parametre til sammenligning, idet han foreslog at navngive de organer, der indtager en lignende position i forhold til andre organer i de sammenlignede organismer. Baseret på denne teori var han faktisk en af de første til at etablere homologi. I sine konstruktioner blev E. Geoffroy Saint-Hilaire ofte revet med (for eksempel hævdede han, at organiseringen af leddyr og hvirveldyr er baseret på en generel strukturplan, kun hos leddyr er indersiden indeni, og ikke uden for rygsøjlen) . Hans elever udviklede også ideer om enheden i strukturplanen for alle dyr, inklusive bløddyr og hvirveldyr , hvilket var en af årsagerne til den berømte diskussion mellem E. Geoffroy Saint-Hilaire og Georges Cuvier (1830).
Owens forgængere omfatter Johann Wolfgang Goethe - ikke kun en digter , men også en naturforsker , såvel som en række anatomikere fra slutningen af det 18. - begyndelsen af det 19. århundrede, som beskæftigede sig med lignende problemer. Især Goethe, takket være sammenlignende undersøgelser af kraniet hos hvirveldyr, fundet i de menneskelige kraniedele svarende til den præmaxillære knogle (før det blev dens fravær betragtet som en vigtig forskel mellem mennesker og dyr).
Et andet vigtigt emne i tidlig forskning om homologi hos hvirveldyr (fra Goethe og Geoffroy Saint-Hilaire til Owen) var hvirveldyrteorien om kraniet , ifølge hvilken hvirveldyrskallen er et produkt af sammensmeltningen af flere hvirvler . På trods af at denne teori senere endelig blev kasseret (dette skete i slutningen af det 19. århundrede ), havde den en betydelig heuristisk værdi. For eksempel stammer moderne ideer om, at insekthovedet består af flere segmenter smeltet sammen , fra arbejdet i begyndelsen af det 19. århundrede, udført af eleverne af Geoffroy Saint-Hilaire, som forsøgte at udvide hvirveldyrteorien om kraniet ud over hvirveldyr.
I midten af det 20. århundrede formulerede den tyske zoolog og komparative anatom Adolf Remane tre kriterier for homologi, som anses for klassiske [4] .
Forskellige forfattere har foreslået andre kriterier for homologi, herunder
Oligomerisering af homologe (homodynamiske) organer - Dogels princip - processen (i løbet af dyrenes evolution ) med at reducere antallet af homologe og homodynamiske formationer til et vist antal, forbundet med intensiveringen af systemets funktioner [11] [12] [13] [14] . Det realiseres i udviklingen af alle større fylogenetiske stammer af flercellede dyr, ledsaget af deres progressive morfologiske og funktionelle differentiering.
Dogels princip om multipel lægning af nydannede organer - nye organer opstår (for eksempel på grund af en ændring i livsstil - overgangen fra en stillesiddende livsstil til en mobil eller fra akvatisk til terrestrisk ) normalt i stort antal, dårligt udviklet, homogene og ofte arrangeret i ingen bestemt rækkefølge. Når de differentierer , opnår de en specifik lokalisering, der kvantitativt falder til et konstant tal for en given taksonomi . For eksempel er segmentering af kroppen i typen af annelid multipel og ustabil. Alle segmenter er ens . Hos leddyr (afledt af annelids ), er antallet af segmenter i de fleste klasser reduceret, bliver konstant, individuelle segmenter af kroppen, normalt kombineret i grupper ( hoved , bryst, mave , osv.), specialiserer sig i at udføre visse funktioner.
At finde ud af, om de bevarer en multipel karakter, eller om visse organer allerede har gennemgået oligomerisering, gør det muligt at bedømme graden af antikken af deres forekomst. Kombinationen af organer i forskellige aldre kan nogle gange bruges til at udlede fylogeni .
Udviklingen af encellede organismer er ikke karakteriseret ved oligomerisering , men af polymerisering , det vil sige en stigning, multiplikation af celledele ( organeller ).
Sammenlignende analyse af nukleotidsekvenser i DNA og aminosyrer i proteiner krævede udviklingen af det traditionelle koncept for homologi. I sekvensanalyse er det almindeligt at skelne mellem ortologi og paralogi (og i forlængelse heraf ortologer og paraloger ).
Homologe sekvenser kaldes ortologe , hvis en artsdannelse førte til deres adskillelse : hvis et gen eksisterer i en art , der divergerer for at danne to arter, så kaldes kopier af dette gen i datterarter ortologer . Homologe sekvenser kaldes paraloge , hvis genfordobling førte til deres adskillelse: hvis et gen fordobles som følge af en kromosommutation i den samme organisme , så kaldes dets kopier paraloger .
Orthologer udfører normalt identiske eller lignende funktioner. Dette gælder ikke altid for paraloger. På grund af fraværet af selektionstryk på en af kopierne af genet, der har gennemgået duplikation, er denne kopi fri til at mutere yderligere, hvilket kan føre til fremkomsten af nye funktioner.
Således anses for eksempel generne, der koder for myoglobin og hæmoglobin , generelt for at være gamle paraloger. Tilsvarende er de kendte hæmoglobingener (α, β, γ, etc.) paraloger af hinanden. Mens hvert af disse gener tjener den samme grundlæggende funktion af ilttransport, har deres funktioner allerede divergeret noget: føtalt hæmoglobin (føtalt hæmoglobin med en α 2 γ 2 underenhedsstruktur ) har en større affinitet for ilt end voksen hæmoglobin (α 2 β 2 ) .
Et andet eksempel: insulingener i rotter og mus . Gnavere har et par paralogiske gener, men spørgsmålet om, hvorvidt der er opstået funktionsdivergens, er fortsat åbent. Paraloge gener kaldes normalt gener, der tilhører samme art, men det er slet ikke nødvendigt. For eksempel kan humant hæmoglobin og chimpansemyoglobingener betragtes som paraloger .
I moderne bioinformatik, for at studere homologien af proteiner med kendte aminosyresekvenser, bruges proteinjustering , hvis essens er at finde de mest konservative rester i disse sekvenser ved hjælp af forskellige algoritmer , som normalt er nøglen til at udføre en eller flere proteinfunktioner, for at studere domænestrukturen af et givet protein ved at søge efter kendte strukturelle motiver og domæner i det undersøgte protein. Ved hjælp af forskellige databaser kan du også søge efter en homolog af et givet protein i forskellige organismer, bygge et fylogenetisk træ af forskellige proteinsekvenser og lignende.
Det skal bemærkes, at de undertiden anvendte udtryk "procent homologi" og "signifikant homologi" er fejlagtige, eftersom sekvenshomologi er et kvalitativt koncept, men ikke et kvantitativt. Homologe proteiner kan for eksempel kun bevare 10% identiske aminosyrer, mens ikke-homologe proteiner kan have 30% af dem. [femten]
Homologe kromosomer i en diploid celle er parrede kromosomer , som hver er nedarvet fra en af forældrene. Med undtagelse af kønskromosomer i medlemmer af det heterogametiske køn har nukleotidsekvenserne i hvert af de homologe kromosomer betydelig lighed i hele deres længde. Det betyder, at de typisk indeholder de samme gener i samme sekvens. Kønskromosomerne i det heterogametiske køn har også homologe områder (selvom de kun optager en del af kromosomet). Med hensyn til sekvensanalyse bør kønskromosomer betragtes som paraloge .
I sit værk "The law of homological series in hereditary variability" [16] beskrev Nikolai Ivanovich Vavilov fænomenerne parallelisme af mutationer i nært beslægtede grupper af planter. I analogi med den homologiske serie af organiske forbindelser foreslog han at kalde dette fænomen Homologisk serie i arvelig variation . Beskrivelsen af mønstrene for arvelige variationer gjorde det muligt at forudsige og målrettet søge efter homologe mutationer, der endnu ikke er blevet identificeret i forskellige typer af dyrkede planter, hvilket førte til intensiveringen af forædlingsarbejdet .
Det skal bemærkes, at i modsætning til kemi, er der her tale om en empirisk generalisering, og ikke om en formel teori, der gør det muligt at udvikle en rationel nomenklatur af organiske molekyler baseret på en bestemt lov til at konstruere en homolog serie.