7.13C: Homólogos, Ortólogos y Paralogos

Objetivos de aprendizaje

• Distinguir homólogos, ortólogos y parálogos

La homología constituye la base de organización para la biología comparada. Un rasgo homólogo a menudo se llama homólogo (también deletreado homólogo). En genética, el término “homólogo” se utiliza tanto para referirse a una proteína homóloga como al gen (secuencia de ADN) que la codifica. Al igual que con las estructuras anatómicas, la homología entre secuencias de proteínas o ADN se define en términos de ascendencia compartida. Dos segmentos de ADN pueden tener ascendencia compartida debido a un evento de especiación (ortólogos) o un evento de duplicación (parálogos). La homología entre proteínas o ADN a menudo se concluye incorrectamente sobre la base de la similitud de secuencia. Los términos “porcentaje de homología” y “similitud de secuencia” a menudo se usan indistintamente. Al igual que con las estructuras anatómicas, la similitud de secuencia alta puede ocurrir debido a la evolución convergente, o, como con secuencias más cortas, por casualidad. Tales secuencias son similares, pero no homólogas. Las regiones de secuencia que son homólogas también se denominan conservadas. Esto no debe confundirse con la conservación en secuencias de aminoácidos en las que el aminoácido en una posición específica ha sido sustituido por uno diferente con propiedades fisicoquímicas funcionalmente equivalentes. Uno puede, sin embargo, referirse a la homología parcial donde una fracción de las secuencias comparadas (se presume que) comparten descendencia, mientras que el resto no. Por ejemplo, la homología parcial puede resultar de un evento de fusión génica.

Figura: Ejemplo de ADN homólogo: Este es el alineamiento de secuencias de una proteína homóloga de dos especies diferentes. El “*” representa un aminoácido conservado en las dos proteínas.

Las secuencias homólogas son ortólogas si fueron separadas por un evento de especiación: cuando una especie diverge en dos especies separadas, se dice que las copias de un solo gen en las dos especies resultantes son ortólogas. Los ortólogos, o genes ortólogos, son genes de diferentes especies que se originaron por el descenso vertical de un solo gen del último ancestro común. Por ejemplo, la proteína reguladora de la gripe vegetal está presente tanto en Arabidopsis (planta superior multicelular) como en Chlamydomonas (algas verdes unicelulares). La versión Chlamydomonas es más compleja: cruza la membrana dos veces en lugar de una vez, contiene dominios adicionales y se somete a empalmes alternativos. Sin embargo, puede sustituir completamente la proteína Arabidopsis mucho más simple, si se transfiere de las algas al genoma de la planta por medio de ingeniería genética. La similitud de secuencia significativa y los dominios funcionales compartidos indican que estos dos genes son genes ortólogos, heredados del antepasado compartido. Las secuencias ortólogas proporcionan información útil en la clasificación taxonómica y estudios filogenéticos de organismos. El patrón de divergencia genética se puede utilizar para rastrear la relación de organismos. Dos organismos que están muy estrechamente relacionados probablemente muestren secuencias de ADN muy similares entre dos ortólogos. Por el contrario, un organismo que se elimina más evolutivamente de otro organismo es probable que muestre una mayor divergencia en la secuencia de los ortólogos que se están estudiando.

Las secuencias homólogas son paralogas si estaban separadas por un evento de duplicación génica: si un gen en un organismo se duplica para ocupar dos posiciones diferentes en un mismo genoma, entonces las dos copias son paralogas. Los genes parálogos suelen pertenecer a la misma especie, pero esto no es necesario. Por ejemplo, el gen de la hemoglobina de los humanos y el gen de la mioglobina de los chimpancés son parálogos. Los parálogos se pueden dividir en parálogos internos (pares parálogos que surgieron después de un evento de especiación) y parálogos externos (pares parálogos que surgieron antes de un evento de especiación). Entre las especies hay pares de parálogos que existen entre dos organismos debido a la duplicación antes de la especiación. Dentro de las especies hay pares de parálogos que existen en el mismo organismo, pero cuyo evento de duplicación ocurrió después de la especiación. Los parálogos suelen tener la misma función o similar, pero a veces no. Debido a la falta de presión selectiva original sobre una copia del gen duplicado, esta copia es libre de mutar y adquirir nuevas funciones. Las secuencias parálogas proporcionan información útil sobre la forma en que evolucionan los genomas. Los genes que codifican mioglobina y hemoglobina se consideran parálogos antiguos. De igual manera, las cuatro clases conocidas de hemoglobinas (hemoglobina A, hemoglobina A2, hemoglobina B y hemoglobina F) son parálogos entre sí. Si bien cada una de estas proteínas cumple la misma función básica de transporte de oxígeno, ya han divergido ligeramente en función: la hemoglobina fetal (hemoglobina F) tiene una mayor afinidad por el oxígeno que la hemoglobina adulta. Sin embargo, la función no siempre se conserva. La angiogenina humana divergió de la ribonucleasa, por ejemplo, y si bien los dos parálogos siguen siendo similares en estructura terciaria, sus funciones dentro de la célula son ahora bastante diferentes.

Puntos Clave

• Un gen homólogo (u homólogo) es un gen heredado en dos especies de un ancestro común. Si bien los genes homólogos pueden ser similares en secuencia, secuencias similares no son necesariamente homólogas.
• Los ortólogos son genes homólogos donde un gen diverge después de un evento de especiación, pero el gen y su función principal se conservan.
• Si un gen se duplica en una especie, los genes duplicados resultantes son parálogos entre sí, aunque con el tiempo pueden volverse diferentes en composición y función de secuencia.

Términos Clave

• conservadas: En biología, las secuencias conservadas son secuencias similares o idénticas que ocurren dentro de secuencias de ácidos nucleicos (como secuencias de ARN y ADN), secuencias de proteínas, estructuras de proteínas.
• presión selectiva: Cualquier causa que reduzca el éxito reproductivo en una proporción de una población, ejerce potencialmente presión evolutiva o presión de selección.