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Homologie (Genetik)

Zwei Gene (oder Proteine) sind zueinander homolog, wenn sie von einem gemeinsamen Vorläufer abstammen.

Stimmen zwei Gene in der Nukleotidsequenz in mehr als 30 % ihrer Nukleotide in der Abfolge überein, so gilt eine andere Ursache als die gemeinsame Abstammung als unwahrscheinlich; man betrachtet diese beiden Gene daher als homolog. Ähnliches gilt für die Aminosäuresequenz der aus den Genen produzierten Proteine, wobei die Homologie bei einer Sequenzübereinstimmung von über 10 % angenommen wird.

Homologie von Genen führt nicht zwangsläufig zu Homologie von Organen, so ist z. B. der Fall nicht auszuschließen, dass homologe Gene und damit auch homologe Proteine in zwei völlig verschiedenen, nicht-homologen Geweben gefunden werden.

Homologe Chromosomen enthalten in der gleichen Reihenfolge der Genorte die gleichen Gene, doch können diese als verschiedene Allele vorliegen. Damit können sich in einer diploiden Zelle die Chromosomen väterlicher bzw. mütterlicher Herkunft unterscheiden.

Dieser Homologiebegriff ist zu unterscheiden von der Homologie verschiedener Organe, die in der Phylogenetik und Evolutionstheorie betrachtet wird.

Inhaltsverzeichnis

Homologie zwischen zwei Genen kann nur dann festgestellt werden, wenn sich die Sequenzen noch nicht so weit voneinander entfernt haben, dass die Ähnlichkeit untereinander nur noch so groß wie zwischen zwei zufälligen Sequenzen ist. Dies hängt nicht nur von der abgelaufenen Zeit ab, sondern auch vom Grad der Konservierung der jeweiligen Sequenz. Die Enzyme wichtiger Stoffwechselwege wie der Glykolyse sind in hohem Maß konserviert:

Protein
im Mensch
Identität zum Protein im Organismus:
Schimpanse
(Vorläufer
5–6 Mio. J.)
Hausratte
(Vorläufer
100–150 Mio. J.)
Zebrafisch
(Vorläufer
200–300 Mio. J.)
Lanzett-
Fischchen

(Vorl. 500 Mio. J.)
Fadenwurm
(Vorläufer
800–1000 Mio. J.)
Escherichia
coli
PFK 100 % 94 % 77 % 63 % 40 % 40 %
α-Hämoglobin 100 % 78 % 53 % 31 % kein Ortholog kein Ortholog
Insulin 98 % 82 % 46 % kein Ortholog kein Ortholog kein Ortholog
EPO ±67 % 80 % 36 % kein Ortholog kein Ortholog kein Ortholog

Eine Aminosäuresequenz-Identität von 60 bis 80 % ist beispielsweise üblich zwischen homologen Säugetiergenen, eine solche von 40 bis 60 % zwischen homologen Wirbeltiergenen. Sinkt die Identität unter 10 % (5 % entsprechen einem zufälligen Ergebnis), wäre eine ggf. vielleicht bestehende Homologie tatsächlich nicht mehr nachweisbar. Tatsächlich ist bereits unterhalb 30 % das Vorliegen einer Homologie fraglich, da unabhängige Proteindomänen nicht selten eine gewisse Ähnlichkeit besitzen (Parallelevolution). Weitere Ausnahmen bilden kurze und Tandem-Sequenzen, da hier die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Ähnlichkeit größer ist.

Evolution eines Gens. Die idealisierte Entwicklung eines Gens aus einer Urpopulation A in zwei neue Populationen B, C. Eine schräglinige Verzweigung stellt ein Artbildungsereignis, eine horizontale Linie eine Genverdopplung dar. Zwischen B und A findet außerdem horizontaler Gentransfer statt. (Schema: W. M. Fitch)

Gäbe es nur Artneubildungsereignisse, dann gäbe es für jedes Gen ein entsprechendes Gen in jedem anderen Organismus. Genverdopplung und horizontaler Gentransfer können zu zusätzlichen Genkopien führen, die sich im Lauf der Zeit mit der Gendrift voneinander weg entwickeln. Zur klareren Unterscheidung der Homologieverhältnisse zwischen solchen Genen werden die folgenden Bezeichnungen verwendet: Zwei Gene sind zueinander paralog, wenn ihr gemeinsames Vorläufergen eine Genverdopplung durchlaufen hat. Zwei Gene sind zueinander ortholog, wenn ihr gemeinsamer Urahn ein Artbildungsereignis durchlaufen hat. Sie sind xenolog, wenn eines von beiden einen horizontal transferierten Vorfahren hat (siehe Abbildung, B1 und C1 sind zueinander ortholog, B1 und B2 paralog, A1 und AB1 xenolog).

Weiterhin spricht man von (1:n)-Orthologie, wenn es sich um Sequenz X in Spezies A und Sequenz Y in Spezies B handelt und es eine zu Y paraloge Sequenz Z in Spezies B gibt, die zu X direkt ortholog ist. Umgekehrt sind Y und X (n:1)-Orthologe. In diesen beiden Fällen hat also in einer der Spezies eine Diversifizierung stattgefunden und zwischen X und Y liegt eine Genverdopplung (siehe Abbildung, B1 und C2). Schließlich noch bedeutet (m:n)-Orthologie zwischen X und Y, dass in beiden Spezies eine Diversifizierung stattgefunden hat und daher zwei Genverdopplungen zwischen X und Y liegen (in der Abbildung nicht dargestellt). Entsprechend wird in diesem Zusammenhang strikte Orthologie als (1:1)-Orthologie bezeichnet. Reale Beispiele für diese Beziehungen sind die Verhältnisse zwischen einzelnen MADS-Box-Proteinen.

Genverdopplung und horizontaler Gentransfer sind die häufigsten biologischen Prozesse, bei denen die Anzahl der Gene erhöht wird. Eine Verringerung der Anzahl der Gene geschieht durch Deletion oder Insertion von Nonsense-Sequenzen.

Im Vergleich der Basensequenz homologer Gene können Grade der Übereinstimmung und damit genetische Abstände verwandter Arten ermittelt werden. Ist zudem ein Zeitpunkt des gemeinsamen letzten Vorfahren dieser beiden Arten bekannt, lassen sich aus dem Grad der Übereinstimmung dieser Gene auch für weitere nahe verwandte Arten die Zeitpunkte ihrer letzten gemeinsamen (noch unbekannten) Vorfahren ermitteln.

Der Grad der genetischen Übereinstimmung kann im Zuge eines Sequenzalignment unterschiedlich betrachtet werden, wodurch sich bei einer molekularen Uhr auch Diskrepanzen in der Rekonstruktion des zeitlichen Verlaufs verschiedener Untersucher ergeben können:

  • Der Fixierungsindex ist vergleichsweise einfach anwendbar und daher ein häufig gebrauchtes relatives Maß mit Werten zwischen 0 (einer Art angehörend) und 1 (unterschiedlichen Arten angehörend).
  • Nei's Standard des genetischen Abstandes bezieht sich auf Punktmutationen und genetische Drift.
  • Cavalli-Sforza und Edwards 1967 bezieht sich auf genetische Drift.
  • Reynolds, Weir und Cockerham's 1983 bezieht sich auf genetische Drift.
  • Nei's DA Abstand bezieht sich auf Punktmutationen und genetische Drift und gibt besonders zuverlässige Verwandtschaftsbeziehungen, auch auf Basis von Satelliten-DNA.

Eine Variante dieser Homologie der Gene ist die Homologie der kodierten Proteine, d, h. innerhalb des Proteoms statt des Genoms. Wegen der Degeneration des Genetischen Codes (mehrere Basentripletts kodieren dieselbe Aminosäure) bleiben hierbei Auswirkungen der Gendrift (siehe auch Molekulare Uhr) außen vor. Ein Beispiel für Homologie-Analysen auf Proteinebene findet sich etwa bei Adriaenssens, Krupovic et al. (2020)

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  9. M. Nei: Genetic distance between populations. In: Am. Nat. Band 106, 1972, S. 283–292.
  10. L. L. Cavalli-Sforza, A. W. Edwards: Phylogenetic analysis. Models and estimation procedures. In: American Journal of Human Genetics. Band 19, Nummer 3 Pt 1, Mai 1967, S. 233–257. , (freier Volltext).
  11. John Reynolds, Bruce S. Weir, C. Clark Cockerham: Estimation of the coancestry coefficient: basis for a short-term genetic distance. In: Genetics. Band 105, Nr. 3, 1983, S. 767–779.
  12. N. Takezaki, Masatoshi Nei: Genetic distances and reconstruction of phylogenetic trees from microsatellite DNA. In: Genetics. Band 144, 1996, S. 389–399.
  13. Evelien M. Adriaenssens, Mart Krupovic et al.: , in: Archives of Virology 165, 11. März 2020, S. 1253–1260, doi:10.1007/s00705-020-04577-8, , siehe dort unter §Chaseviridae

Homologie (Genetik)
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Homologie Genetik Unterscheidung evolutionar ahnlicher Genexpression Sprache Beobachten Bearbeiten Weitergeleitet von Paralog Zwei Gene oder Proteine sind zueinander homolog wenn sie von einem gemeinsamen Vorlaufer abstammen Stimmen zwei Gene in der Nukleotidsequenz in mehr als 30 ihrer Nukleotide in der Abfolge uberein so gilt eine andere Ursache als die gemeinsame Abstammung als unwahrscheinlich man betrachtet diese beiden Gene daher als homolog Ahnliches gilt fur die Aminosauresequenz der aus den Genen produzierten Proteine wobei die Homologie bei einer Sequenzubereinstimmung von uber 10 angenommen wird Homologie von Genen fuhrt nicht zwangslaufig zu Homologie von Organen so ist z B der Fall nicht auszuschliessen dass homologe Gene und damit auch homologe Proteine in zwei vollig verschiedenen nicht homologen Geweben gefunden werden 1 Homologe Chromosomen enthalten in der gleichen Reihenfolge der Genorte die gleichen Gene doch konnen diese als verschiedene Allele vorliegen Damit konnen sich in einer diploiden Zelle die Chromosomen vaterlicher bzw mutterlicher Herkunft unterscheiden Dieser Homologiebegriff ist zu unterscheiden von der Homologie verschiedener Organe die in der Phylogenetik und Evolutionstheorie betrachtet wird Inhaltsverzeichnis 1 Homologie zwischen Genen verschiedener Arten 2 Homologie zwischen verdoppelten oder fremden Genen 3 Genetischer Abstand 4 Proteom 5 Literatur 6 EinzelnachweiseHomologie zwischen Genen verschiedener Arten BearbeitenHomologie zwischen zwei Genen kann nur dann festgestellt werden wenn sich die Sequenzen noch nicht so weit voneinander entfernt haben dass die Ahnlichkeit untereinander nur noch so gross wie zwischen zwei zufalligen Sequenzen ist Dies hangt nicht nur von der abgelaufenen Zeit ab sondern auch vom Grad der Konservierung der jeweiligen Sequenz Die Enzyme wichtiger Stoffwechselwege wie der Glykolyse sind in hohem Mass konserviert Protein im Mensch Identitat zum Protein im Organismus 2 Schimpanse Vorlaufer 5 6 Mio J Hausratte Vorlaufer 100 150 Mio J Zebrafisch Vorlaufer 200 300 Mio J Lanzett Fischchen Vorl 500 Mio J Fadenwurm Vorlaufer 800 1000 Mio J Escherichia coliPFK 100 94 77 63 40 40 a Hamoglobin 100 78 53 31 kein Ortholog kein OrthologInsulin 98 82 46 kein Ortholog kein Ortholog kein OrthologEPO 67 80 36 kein Ortholog kein Ortholog kein Ortholog Eine Aminosauresequenz Identitat von 60 bis 80 ist beispielsweise ublich zwischen homologen Saugetiergenen eine solche von 40 bis 60 zwischen homologen Wirbeltiergenen Sinkt die Identitat unter 10 5 entsprechen einem zufalligen Ergebnis ware eine ggf vielleicht bestehende Homologie tatsachlich nicht mehr nachweisbar Tatsachlich ist bereits unterhalb 30 das Vorliegen einer Homologie fraglich da unabhangige Proteindomanen nicht selten eine gewisse Ahnlichkeit besitzen Parallelevolution Weitere Ausnahmen bilden kurze und Tandem Sequenzen da hier die Wahrscheinlichkeit einer zufalligen Ahnlichkeit grosser ist Homologie zwischen verdoppelten oder fremden Genen Bearbeiten Evolution eines Gens Die idealisierte Entwicklung eines Gens aus einer Urpopulation A in zwei neue Populationen B C Eine schraglinige Verzweigung stellt ein Artbildungsereignis eine horizontale Linie eine Genverdopplung dar Zwischen B und A findet ausserdem horizontaler Gentransfer statt Schema W M Fitch 3 Gabe es nur Artneubildungsereignisse dann gabe es fur jedes Gen ein entsprechendes Gen in jedem anderen Organismus Genverdopplung und horizontaler Gentransfer konnen zu zusatzlichen Genkopien fuhren die sich im Lauf der Zeit mit der Gendrift voneinander weg entwickeln Zur klareren Unterscheidung der Homologieverhaltnisse zwischen solchen Genen werden die folgenden Bezeichnungen verwendet Zwei Gene sind zueinander paralog wenn ihr gemeinsames Vorlaufergen eine Genverdopplung durchlaufen hat Zwei Gene sind zueinander ortholog wenn ihr gemeinsamer Urahn ein Artbildungsereignis durchlaufen hat Sie sind xenolog wenn eines von beiden einen horizontal transferierten Vorfahren hat siehe Abbildung B1 und C1 sind zueinander ortholog B1 und B2 paralog A1 und AB1 xenolog 3 Weiterhin spricht man von 1 n Orthologie wenn es sich um Sequenz X in Spezies A und Sequenz Y in Spezies B handelt und es eine zu Y paraloge Sequenz Z in Spezies B gibt die zu X direkt ortholog ist Umgekehrt sind Y und X n 1 Orthologe In diesen beiden Fallen hat also in einer der Spezies eine Diversifizierung stattgefunden und zwischen X und Y liegt eine Genverdopplung siehe Abbildung B1 und C2 Schliesslich noch bedeutet m n Orthologie zwischen X und Y dass in beiden Spezies eine Diversifizierung stattgefunden hat und daher zwei Genverdopplungen zwischen X und Y liegen in der Abbildung nicht dargestellt Entsprechend wird in diesem Zusammenhang strikte Orthologie als 1 1 Orthologie bezeichnet Reale Beispiele fur diese Beziehungen sind die Verhaltnisse zwischen einzelnen MADS Box Proteinen 4 Genverdopplung und horizontaler Gentransfer sind die haufigsten biologischen Prozesse bei denen die Anzahl der Gene erhoht wird Eine Verringerung der Anzahl der Gene geschieht durch Deletion oder Insertion von Nonsense Sequenzen Genetischer Abstand BearbeitenIm Vergleich der Basensequenz homologer Gene konnen Grade der Ubereinstimmung und damit genetische Abstande verwandter Arten ermittelt werden Ist zudem ein Zeitpunkt des gemeinsamen letzten Vorfahren dieser beiden Arten bekannt lassen sich aus dem Grad der Ubereinstimmung dieser Gene auch fur weitere nahe verwandte Arten die Zeitpunkte ihrer letzten gemeinsamen noch unbekannten Vorfahren ermitteln 5 6 Der Grad der genetischen Ubereinstimmung kann im Zuge eines Sequenzalignment unterschiedlich betrachtet werden 7 wodurch sich bei einer molekularen Uhr auch Diskrepanzen in der Rekonstruktion des zeitlichen Verlaufs verschiedener Untersucher ergeben konnen Der Fixierungsindex ist vergleichsweise einfach anwendbar und daher ein haufig gebrauchtes relatives Mass mit Werten zwischen 0 einer Art angehorend und 1 unterschiedlichen Arten angehorend 8 9 Nei s Standard des genetischen Abstandes bezieht sich auf Punktmutationen und genetische Drift 10 Cavalli Sforza und Edwards 1967 bezieht sich auf genetische Drift 11 Reynolds Weir und Cockerham s 1983 bezieht sich auf genetische Drift 12 Nei s DA Abstand bezieht sich auf Punktmutationen und genetische Drift und gibt besonders zuverlassige Verwandtschaftsbeziehungen auch auf Basis von Satelliten DNA 13 Proteom BearbeitenEine Variante dieser Homologie der Gene ist die Homologie der kodierten Proteine d h innerhalb des Proteoms statt des Genoms Wegen der Degeneration des Genetischen Codes mehrere Basentripletts kodieren dieselbe Aminosaure bleiben hierbei Auswirkungen der Gendrift siehe auch Molekulare Uhr aussen vor Ein Beispiel fur Homologie Analysen auf Proteinebene findet sich etwa bei Adriaenssens Krupovic et al 2020 14 Literatur BearbeitenG S Gray W M Fitch Evolution of antibiotic resistance genes the DNA sequence of a kanamycin resistance gene from Staphylococcus aureus In Molecular biology and evolution Band 1 Nummer 1 Dezember 1983 S 57 66 ISSN 0737 4038 PMID 6100986 R A Jensen Orthologs and paralogs we need to get it right In Genome biology Band 2 Nummer 8 2001 S INTERACTIONS1002 ISSN 1465 6914 PMID 11532207 PMC 138949 freier Volltext Einzelnachweise Bearbeiten Werner A Muller Monika Hassel Entwicklungsbiologie 2006 ISBN 3 540 24057 8 S 252 online UniProt a b W M Fitch Homology A personal view on some of the problems In Trends in Genetics Band 16 Nr 5 Mai 2000 S 227 231 228 PMID 10782117 Online PDF 115 kB Klaus D Grasser Annual Plant Reviews Regulation of Transcription in Plants Volume 29 Wiley Blackwell 2006 ISBN 1 4051 4528 5 S 37 Masatoshi Nei A K Roychoudhury Sampling variances of heterozygosity and genetic distance In Genetics Band 76 Nr 2 1974 S 379 390 genetics org Rike Stelkens Ole Seehausen Genetic distance between species predicts novel trait expression in their hybrids In Evolution Band 63 Nr 4 2009 S 884 897 doi 10 1111 j 1558 5646 2008 00599 x Population Genetics IV Genetic distances biological vs geometric approaches Masatoshi Nei Ronald K Chesser Estimation of fixation indices and gene diversities In Annals of Human Genetics Band 47 Nr 3 1983 S 253 259 doi 10 1111 j 1469 1809 1983 tb00993 x Jerome Goudet FSTAT version 1 2 a computer program to calculate F statistics In Journal of heredity Band 86 Nr 6 1995 S 485 486 jhered oxfordjournals org M Nei Genetic distance between populations In Am Nat Band 106 1972 S 283 292 L L Cavalli Sforza A W Edwards Phylogenetic analysis Models and estimation procedures In American Journal of Human Genetics Band 19 Nummer 3 Pt 1 Mai 1967 S 233 257 PMID 6026583 PMC 1706274 freier Volltext John Reynolds Bruce S Weir C Clark Cockerham Estimation of the coancestry coefficient basis for a short term genetic distance In Genetics Band 105 Nr 3 1983 S 767 779 genetics org N Takezaki Masatoshi Nei Genetic distances and reconstruction of phylogenetic trees from microsatellite DNA In Genetics Band 144 1996 S 389 399 Evelien M Adriaenssens Mart Krupovic et al Taxonomy of prokaryotic viruses 2018 2019 update from the ICTV Bacterial and Archaeal Viruses Subcommittee in Archives of Virology 165 11 Marz 2020 S 1253 1260 doi 10 1007 s00705 020 04577 8 PDF siehe dort unter Chaseviridae Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Homologie Genetik amp oldid 208719961, wikipedia, wiki, deutsches

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