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世界范圍內的多物種基因組計劃和各類測序工作已經形成了海量的序列數據資源, 它們正在使基因組研究發生革命性變化, 信息和新技術的迅速發展也表明: 分子遺傳革新將是今后幾十年的發展方向。尤其是從整體上而不是僅從某個或少數幾個基因入手來研究生物體基因組的機能, 已經在短短幾年迅速發展壯大起來, 比較基因組學也就成了各種生物學發現的強有力工具[1~3]。隨著各種序列數據的積累和研究的深入, 人們的注意力逐漸轉向各類序列的功能上來, 而多數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行比較基因組分析而實現功能基因信息的轉移將是zui有效的途徑。直向同源序列(Orthologs)被認為在不同的物種中具有相近甚至相同的功能、相似的調控途徑, 扮演相似甚至相同的角色, 而且, 絕大多數核心生物功能就是由相當數量的直向同源基因所承擔 [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“定向進化同源基因", 是指在物種形成時從同一祖先垂直進化而來的基因, 或者說, 一個祖先物種分化產生兩種新物種, 那么這兩種新物種共同具有的由這個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、輔酶或關鍵性調控蛋白的基因, 具有功能保守、進化緩慢、變化速度可覆蓋整個進化歷史、序列變化速度與進化距離相當等特征。它代表了進化上分離的物種間保守的單拷貝基因, 通常在物種進化過程中保持一種相當或是相似的功能[7, 8], 因此, 比較基因組學、系統生物學、進化生物學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、系統發生研究、編碼區自然選擇模式解析、物種間共有基因的功能預測等[9]。
可見, 直向同源是指物種進化上的一種關系, 由于過去的進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驗鑒別的。于是, 我們只能研究出新的方法推測序列在不同物種進化上的。然而, 不管何種方法, 都是基于一個理念: 進化上越接近的序列, 其相似性(包括序列、結構、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系, 尤其是在當前絕大多數數據都是序列數據的條件下。
2 直向同源序列與比較基因組學
多種序列的出現, 尤其是全基因組序列, 為我們提供了寶貴的“財富"。對這些序列進行比較基因組學分析是克隆基因、揭示基因功能和疾病分子機制、闡明物種進化關系及基因組內在結構的基礎, 而基因間的直向同源關系, 似乎是比較基因組學的一個自然框架, 將為基因組功能注釋和大規模的進化研究提供方便[10, 11]。直向同源基因的特殊生物學特性決定: 利用直向同源序列開展比較基因組學研究, 必將為探測不同生物在進化過程中重要功能基因的出現、表達和丟失提供線索。具體地講, 包括如下3個方面內容。