轉載自:ortholog paralog homolog

 

網路上能看到的中文"ortholog"解釋沒一個真的把概念解釋清楚,比方說這一篇:

homolog, ortholog, and paralog

看完我保證你還是不懂"ortholog"是什麼東西。(下面那些喊"好清楚" "好清楚"的,一定是理解力大師!)那個附圖也不要看,看了只會更混淆。

 

“ortholog 呢?它是指不同物種間的基因有源於共同祖源基因的關係,通常基因功能一樣,但又因為演化的緣故,使得在比較兩個 ortholog genes 間的功能時會發生其中一個有 lost- or gain-of-function 的現象”

 

哎,完全沒解釋到重點呀(而且有錯字)。我用我的話來從頭解釋一次好了。

 

會有homolog,ortholog 和paralog 的比較,一開始是因為要比較「不同species」上「類似的基因」才有的觀念。首先,什麼是「species  物種」?(不要笑,正常學生物的人都知道,不是學生物的人大概多少也知道,但這才是這問題真正的切入點)以Ernst Mayr 提出的biological species 概念來說,就是「一群可以互相交配,生產能生後代的後代的生物」,後面這句有點詏口,不過舉個反例就可以了: 馬跟驢可以交配,也會有後代騾,但是騾沒辦法生下騾,所以馬和驢是不同種。是的,其實species 的這個定義,用反證法比較好理解。

 

那篇作者的參考資料裡,除了homolog,ortholog和paralog之外,還有另一個名詞解釋「speciation」:

“Speciation is the origin of a new species capable of making a living in a new way from the species from which it arose. As part of this process it has also aquired some barreir to genetic exchage with the parent species.”

 

為什麼解釋3個名詞的同時,要再加上第4個"speciation"?其實這一點都不奇怪,因為沒有speciation,就沒有新的species;沒有新的species,就沒有ortholog。

 

speciation(中文可以翻譯為「種化」)的意思,大概就是: 「同一個species,因為種種隔離(這裡最主要是「生殖隔離」),最後導致無法再繼續交配產生後代,變成兩個不同species」。因此,本來同一個species 裡的某個基因,在變成不同species 之後,雖然還是同一個基因,卻因為生物已經變成不同的種,再講它們是「同一個基因」就會怪怪的,因此我們稱這兩個基因彼此是對方的「ortholog」。

 

假如2個種才剛剛獨立演化出來不久,此時它們間的大部分基因,通常還不會差距太大,甚至很多基因的序列可能還保持一模一樣,做出一模一樣的蛋白質產物。一般來說,這個差距會隨著時間而變大,因為遺傳序列本身是會隨機突變的,只要不對生物有害,通常都可以保存下來。既然產物一樣,那麼蛋白質的功能通常也不會有多少改變,某些功能重要的基因上,甚至常見兩種生物已經分隔許久,長得很不像了(比方說一種動物和另一種植物),某基因序列和功能卻還相當接近的例子。

 

“但又因為演化的緣故,使得在比較兩個 ortholog genes 間的功能時會發生其中一個有 lost- or gain-of-function 的現象”

 

那麼這句突然冒出來的解釋又是什麼?這就要回到演化研究的目的了,演化研究的是生物間的「變與不變」,「不變」的,例如很多基礎的代謝機制,從細菌到人類大概都用同一套,所以很多研究線蟲或果蠅(長得和人類一點都不像,事實上也真的差很多)的科學從業人員,很愛把自己的研究扯到人類身上去(例如:線蟲上觀察到某基因的表現方法,為我們在糖尿病研究上提供了新的靈感)。

 

不過演化科學家做的,更多都是研究「變」,也就是生物間的差異:為什麼這個種和那個種有差別?這個差異對於它們對環境的適應,或是當初的種化分家,有什麼影響嗎?這時,那些ortholog,本來一樣,卻在不同物種上演化出差異性的,就會被抓來特別研究一番, 假如是gain or loss of function(正確的寫法應該是”loss”,不是這篇blog寫的”lost”),也就是「這基因在這個種有功能,另一個種卻沒有(或相反)」,那就更值錢了!因為這意味,這基因在兩個物種的功能不同,有改變。假如這基因牽涉到某種重要的功能,例如參與精子的製造,或是某樣對某環境的適應,像是更強壯,更耐冷,或更屌(這個對男子漢很重要!),這個基因就是研究者的好物,因為如此一來,也許物種的生成或分化,就是這個基因造成的!

 

這才是那篇文章抄書抄來那段話,真正的內涵,問題是,這段話是衍生的東西,跟一開始ortholog 的定義,根本沒什麼關係。所以我才說,光看這個就說好清楚的,一定是理解力大師。

 

再來解釋paralog,比方說我們有個基因,叫作「avatar kinase」,但是一共有3個基因,長得都差不多,都做 avatar kinase 的工作,於是我們叫它們:avatar kinase 1, avatar kinase 2和 avatar kinase 3,然後我們在酵母菌裡也找到這個基因,但是只有一個,這時,我們就可以合理推斷,人類的3個基因,是由當初的1個 avatar kinase 基因複製出來的,因此,這3個基因(也可以叫它們「gene family」,雖然是個只有3位成員的小家庭),彼此之間,就叫作「paralogs」。注意,paralogs講的是「同species內,由同一個基因祖先,複製生成的不同基因」;而orthologs則是: 「不同species間的同一個基因」。

 

為什麼一個基因要變出一個分身,甚至一堆分身?這是演化上很有趣的問題。假如一個便當吃得飽,為什麼還要吃第二個?一個狀況是,因為這個基因的功能太多,又要做這個(看病,顧家庭),又要做那個(研究,教書),假如有個分身,把功能單純化,這樣生理上比較好調控;或是反過來,分身演化出了本來沒有的新功能(上法院,搞外遇),於是可以自立門戶。當然還有其他各式可能,不過也是因為這個原因,所以不少paralogs 是有新功能的。

 

homolog?一般來講,就是paralog 加上ortholog,因為有些gene family 實在很大,很複雜,判斷誰是誰的ortholog 很困難(這一般人通常都不會遇到,遇到也不會在意,除非你是專門做基因演化的),比較保險講homolog 就對了。至於假如不確定演化關係時,講homolog 大概都不會錯。

 

以上,就是homolog,ortholog 和paralog 的定義解釋。它們的中文翻譯如下:

homolog 同源基因

ortholog 直系同源基因

paralog 旁系同源基因

 

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