Ортолог

Гомологичными (от др.-греч. ὅμοιος «подобный, похожий» и др.-греч. λογος «слово», «закон») называют сопоставимые части сравниваемых объектов. В биологии понятие гомологии используется в сравнительной анатомии с середины XIX века, и — в ревизованном виде — в сравнительных исследованиях генома. В рамках эволюционной биологии гомология интерпретируется как сходство, обусловленное происхождением от общего предшественника. В некотором смысле противоположным по значению термином, применяемым в тех случаях, когда два сходных органа или гена не имеют общего предшественника, является аналогия.

Кроме того, понятие гомологии используется в родственном, но несколько ином значении, в работах Н. И. Вавилова и более поздних авторов о законе гомологических рядов в наследственной изменчивости.

Гомология в сравнительной анатомии

История понятия

Схема строения черепов варана (A) и крокодила (B). Гомологичные кости обозначены одинаковым цветом. С изменениями из: Gegenbaur, Carl Grundzüge der vergleichenden Anatomie. 2. umgearb. Auflage. Mit 319 Holzschnitten. Leipzig, Verl. von Wilhelm Engelmann, 1870. 892 pp. fig. 202. p. 651. A. Varanus. B. Crocodilus. Os — Occipitale superius. C — Condylus occipitalis. Pa — Parietale. Pf — Postrforntale. Fr — Frontale. Pfr — Praefrontale. L — Lacrymale. N — Nasale. Sq — Squamosum. Qj — Quadratojugale. Ju — Jugale. Q — Quadratum. Mx — Maxillare. Px — Praemaxillare. co — Columella.

Схема строения скелета кисти с указанием гомологичных костей. Из: Gegenbaur, Carl Grundzüge der vergleichenden Anatomie. 2. umgearb. Auflage. Mit 319 Holzschnitten. Leipzig, Verl. von Wilhelm Engelmann, 1870. 892 pp. fig. 223. p. 692. I Человек. II Собака. III Свинья. IV Корова. V Тапир. VI Лошадь. r — Radius. u — Ulna. a — Scaphoid. b — Lunare. c — Triquetrum. d — Trapezium. e — Trapezoid. f — Capitatum. g — Hamatum. p — Pisiforme.

Понятие гомологии в биологии было введено Ричардом Оуэном в 1840-е гг., не ставившего задачи решения филогенетических проблем. ^{[1] [2] [3]} Он предложил различить аналогичные:

«…a part or organ in one animal that has the same function as another part or organ in a different animal…» [часть или орган животного, который имеет ту же самую функцию, что и другая часть или орган у иного животного]

и гомологичные структуры:

«the same organ in different animals under every variety of form and function…» [тот же самый орган в различных жвотных при всех вариациях формы и функции]^[4]

Примерами аналогичных структур могут служить крылья насекомых и птиц. Примерами гомологичных — крыло птицы и рука человека. С понятием гомологии Оуэн связывал понятие архетипа или плана строения. Путем сопоставления скелетов Оуэн реконструировал архетип позвоночного и архетипы каждого из признанных на тот момент классов позвоночных животных (рыб, рептилий, птиц и млекопитающих). Скелеты конкретных позвоночных он рассматривал как реальные воплощения этих архетипов. По его примеру Томас Хаксли реконструировал архетип (план строения) моллюсков. Поиск планов строения для разных групп животных и растений стал одной из важнейших задач сравнительной анатомии второй половины XIX века.

Со становлением эволюционного учения, начиная с работ Чарлза Дарвина, понятия гомологии и архетипа были переинтерпретированы. Гомологичные органы стали считать органами, унаследованными от общего предка, а архетип стали рассмотривать как гипотетического общего предка группы, для которой он реконструирован.^[5]

Следует отметить, что еще до работ Оуэна предпринимались попытки формализовать процедуру сравнения живых существ и выработать общие принципы сравнительной анатомии. Так, Этьен Жоффруа Сент-Илер в своей работе Анатомическая философия развивал теорию аналогов и сформулировал закон коннексий. Отталкиваясь от учения Аристотеля об аналогиях, он пытался придать понятию аналога большую строгость, найти критерии и параметры сравнения, предложив называть так органы, которые занимают сходное положение относительно других органов у сравниваемых организмов. На основе этой теории он, по сути, одним из первых приступил к установлению гомологий. В своих построениях Э. Жоффруа Сент-Илер нередко увлекался (например, он утверждал, что в основе организации членистоногих и позвоночных лежит общий план строения, только у членистоногих внутренности находятся внутри, а не снаружи от позвоночника). Его ученики также развивали идеи о единстве плана строения всех животных, в том числе, моллюсков и позвоночных, что послужило одним из поводов к знаменитой дискуссии между Э. Жоффруа Сент-Илером и Жоржем Кювье (1830).

К предшественникам Оуэна можно отнести и Иоганна Вольфганга Гёте — не только поэта, но и естествоиспытателя, а также ряд анатомов конца XVIII — начала XIX века, занимавшихся сходными проблемами. В частности, Гёте, благодаря сравнительным исследованиям черепа позвоночных, обнаружил в черепе человека части, соответствующие межчелюстной кости (до этого её отсутствие считалось важным отличием человека от животных).

Другой важной темой в ранних исследованиях в области установления гомологий у позвоночных (от Гёте и Жоффруа Сент-Илера до Оуэна) стала позвоночная теория черепа, согласно которой череп позвоночных представляет собой продукт слияния нескольких позвонков. Несмотря на то, что эта теория позднее была окончательно отброшена (это произошло в конце XIX века), она имела значительную эвристическую ценность. Например, современные представления о том, что голова насекомых состоит из нескольких сросшихся между собой сегментов, берут свое начало от работ начала XIX века, выполненных учениками Жоффруа Сент-Илера, которые пытались распространить позвоночную теорию черепа за пределы позвоночных.

Критерии гомологии

В середине XX века немецкий зоолог и сравнительный анатом Адольф Ремане сформулировал три критерия гомологии, которые считаются классическими.

• Критерий положения. Гомологичными считаются части, занимающие сходное положение относительно других частей тела. Например, при всех различиях формы черепов кита и человека, кости, составляющие их расположены друг относительно друга сходным образом.
• Критерий специального качества. Гомологичными могут считаться только те структуры, которые сходны между собой по тонкому строению (например, жировая ткань, возникающая на месте удаленного глаза, не гомологична глазу, хотя и занимает его место, соответствуя первому критерию).
• Критерий переходных форм. Если две формы не сходны друг с другом, но связаны непрерывным рядом «переходных форм», то их можно считать гомологичными.

Родственные и производные понятия

• Гомотипия. Гомотипными называют качественно однородные части, повторяющиеся в пределах одного организма или выявляемые у разных организмов.
• Сериальная гомология или гомодинамия. Сериальными гомологами называют органы, закономерно повторяющиеся вдоль продольной оси тела (например, конечности членистоногих или позвонки и рёбра позвоночных).
• Полная и неполная гомология. Различение полной и неполной гомологии было введено Карлом Гегенбауром для разграничения случаев полного и неполного соответствия системы связей между сравниваемыми органами и их окружением.

Олигомеризация гомологичных (гомодинамных) органов

Олигомеризация гомологичных (гомодинамных) органов - принцип Догеля - процесс (в ходе эволюции животных) уменьшения количества гомологичных и гомодинамных образований до некоторого определенного числа, связанный с интенсификацией функций системы.^[6],^[7],^[8],^[9]. Реализуется в эволюции всех основных филогенетических стволов многоклеточных животных, сопровождаясь их прогрессивной морфологической и функциональной дифференцировкой.

Принцип множественной закладки новообразующихся органов Догеля - новые органы возникают (напр., из-за перемены образа жизни - перехода от сидячего образа жизни к подвижному или от водного к наземному) обычно в большом числе, слабо развиты, однородны и часто располагаются без определенного порядка. По мере дифференциации они приобретают определенную локализацию, количественно уменьшаясь до постоянного числа для данной таксономии. Например, сегментация тела в типе кольчатых червей носит множественный и неустановившийся характер. Все сегменты однородны. У членистоногих (произошедших от кольчатых червей) число сегментов в большинстве классов сокращается, становится постоянным, отдельные сегменты тела, объединяемые обычно в группы (голова, грудь, брюшко и т. п.), специализируются на выполнении определенных, функций.

Выяснение, сохраняют они множественный характер или уже подверглись олигомеризации те или иные органы, позволяет судить о степени древности их возникновения. По комбинации органов разного возраста иногда можно судить о филогении.

Для эволюции одноклеточных характерна не олигомеризация, а полимеризация, т.е., увеличение, умножение частей клетки (органоидов).

Гомология в сравнительной геномике

Гомологичные последовательности ДНК

Упрощенная схема эволюции глобинов. Каждый прямоугольник соответсвует глобиновому гену. Узлы эволюционного дерева отмечены латинскими цифрами.
Все глобины происходят от одного предшественника и, следовательно являются гомологами — ортологами протоглобина. Гемоглобины являются паралогами миоглобинов, так как произошли от гена протоглобина после его дупликации (на эволюционном отрезке между узлами I и II). Паралогами по отношению друг к другу являются, например, и гемоглобины человека: все они возникли в результате дупликаций и последующего накопления мутаций. Гемоглобины человека α1 и α2 являются ортологами α гемоглобинов акулы и курицы, так как происходят от про-α-гемоглобина общего предка, находящегося в узле II. То же верно и для β-гемоглобинов. При этом α-гемоглобины человека можно назвать паралогами, по отношению не только к человеческим, но и акульим, и куриным β-гемоглобинам, поскольку оба эти ряда ортологов восходят в конечном счете к одному протогемоглобину, возникшему на отрезке I—II.

Сравнительный анализ последовательностей нуклеотидов в ДНК и аминокислот в белках потребовал развития традиционного понятия гомологии. При анализе последовательностей принято различать ортологию и паралогию (и, соответственно, ортологи и паралоги).

Гомологичные последовательности называют ортологичными, если к их разделению привел акт видообразования: если ген существует у некоего вида, который дивергирует с образованием двух видов, то копии этого гена у дочерних видов называются ортологами. Гомологичные последовательности называют паралогичными, если к их разделению привело удвоение гена: если в пределах одного организма в результате хромосомной мутации произошло удвоение гена, то его копии называют паралогами.

Ортологи обычно выполняют идентичные или сходные функции. Это не всегда справедливо в отношении паралогов. В виду отсутствия давления отбора на одну из копий гена, подвергшегося удвоению, эта копия получает возможность беспрепятственно мутировать далее, что может привести к возникновению новых функций.

Так, например, гены, кодирующие миоглобин и гемоглобин, обычно считаются древними паралогами. Сходным образом, известные гены гемоглобинов (α, β, γ и т. д.) — паралоги друг друга. В то время как каждый из этих генов служит той же самой основной функции транспорта кислорода, их функции уже несколько дивергировали: гемоглобин зародыша (фетальный гемоглобин с субъединичной структурой α₂γ₂) имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослого человека (α₂β₂).

Другой пример: гены инсулина у крыс и мышей. У грызунов имеется пара паралогичных генов, однако вопрос о том, произошла ли дивергенция функций, остается открытым. Паралогичными обычно называют гены, принадлежащие одному и тому же виду, однако это вовсе не необходимо. Например, паралогами можно считать гены гемоглобина человека и миоглобина шимпанзе.

Одним из методов, применяющихся в современной биоинформатике для исследования гомологичности белков с известными аминокислотными последовательностями является выравнивание белков, суть которого заключается в нахождении с помощью различных алгоритмов наиболее консервативных остатков в этих последовательностях, которые обычно являются ключевыми для выполнения одной или нескольких функций белка, исследовании доменной структуры данного белка с помощью поиска известных структурных мотивов и доменов в исследуемом белке. Также с помощью различных баз данных можно осуществить поиск гомолога данного белка в различных организмах, построить филогенетическое дерево различных белковых последовательностей и тому подобное.

Гомологичные хромосомы

Гомологичными хромосомами в диплоидной клетке называют парные хромосомы, каждая из которых досталась от одного из родителей. За исключением половых хромосом у представителей гетерогаметного пола, последовательности нуклеотидов в каждой из гомологичных хромосом имеют значительное сходство по всей длине. Это означает, что в типичном случае они содержат одни и те же гены в одинаковой последовательности. Половые хромосомы у гетерогаметного пола также имеют гомологичные участки (хотя они занимают лишь часть хромосомы). С точки зрения анализа последовательностей, половые хромосомы следует считать паралогичными.

Гомологические ряды в наследственной изменчивости

В своей работе Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости^[10] Николай Иванович Вавилов описал явления параллелизма мутаций в близкородственных группах растений. По аналогии с гомологическими рядами органических соединений, он предложил назвать это явление гомологическими рядами в наследственной изменчивости. Описание закономерностей наследственных вариаций позволяло предсказывать и целенаправленно искать еще не выявленные гомологичные мутации у разных видов культурных растений, что привело к интенсификации селекционной работы.

Следует отметить, что, в отличие от химии, здесь речь идет об эмпирическом обобщении, а не о формальной теории, позволяющей выработать рациональную номенклатуру органических молекул, исходящую из определенного закона построения гомологического ряда.

Литература

• Беклемишев В. Н. Методология систематики. М., 1994.
• Бляхер Л. Я. Аналогия и гомология, в сборнике: Идея развития в биологии. М., 1965.
• Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора, Соч., т. 3. М.—Л., 1939.
• Мамкаев Ю.В. Гомология и аналогия как основополагающие понятия морфологии
• Шмальгаузен И. И. Основы сравнительной анатомии позвоночных животных. 2-е изд. М., 1935.
• Haeckel, Е. Generelle Morphologie der Organismen. Bd 1-2. Вerlin, 1866.
• Gegenbaur, G. Vergleichende Anatomie der Wirbelthiere… Leipzig, 1898.
• Owen, R. On the archetype and homologies of the vertebrate skeleton. London, 1847.

См. также

• Кладистика
• Список гомологичных органов репродуктивной системы человека

Ссылки

1. ↑ Канаев И. И. Очерки из истории сравнительной анатомии до Дарвина. Развитие проблемы морфологического типа в зоологии. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 299 с.
2. ↑ Бляхер Л. Я. Проблемы морфологии животных. Исторические очерки. М.: Наука, 1976. 359 с.
3. ↑ Беклемишев В. Н. Методология систематики. М.: KMK Scientific Press Ltd., 1994. 250 с.
4. ↑ Owen, Richard. Lectures on Invertebrate Animals. London, 1843
5. ↑ Darwin, Ch. On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of the favoured races in the struggle for life. London, 1859
6. ↑ Догель В.А. 1954. Олигомеризация гомологичных органов как один из главных путей эволюции животных. Л.: Изд-во ЛГУ. 368 с.
7. ↑ Боркин Л.Я., Наумов А.Д., Подлипаев С.Ф. 1971. Значение полимеризации и олигомеризации в эволюции систем органов // Вестник Ленинградского университета. № 21. С.7−18.
8. ↑ Подлипаев С.А., Наумов А.Д., Боркин Л.Я. 1974. К определению понятий полимеризации и олигомеризации // Журнал общей биологии. Т.35. № 1. С.100−113.
9. ↑ Городков К.Б. 1985. Олигомеризация и эволюция систем морфологических структур // Зоологический журнал Т.64. № 3. С.325−335
10. ↑ Вавилов Н. И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Саратов, 1920. 16 с.