同源拷贝

同源拷贝（英文：Homeolog 或 Homoeolog，复数 Homeologs/Homoeologs）特指在多倍体（尤其是异源多倍体）生物中，由不同祖先物种基因组合并后，存在于同一细胞核内的、源自不同祖先但又功能同源的基因（或染色体）拷贝。这一概念是多倍体基因组学和进化生物学中的核心术语，用于精确描述多倍化后基因组的复杂同源关系。

核心概念与定义

• 词源与背景：“Homeolog”一词源于“homoeologous”（部分同源的），以区别于完全同源的“homologous”和直系/旁系同源的“orthologous/paralogous”。它强调因物种杂交与全基因组复制事件而被迫共处于同一基因组中的配对关系。

• 关键区别：

  • 与旁系同源基因的区别：旁系同源基因（Paralogs）源于同一基因组内的基因复制事件。而同源拷贝虽然也是“拷贝”，但其根源是不同物种基因组的合并，每个拷贝最初来自一个独立的二倍体祖先物种。

  • 与直系同源基因的区别：直系同源基因（Orthologs）是不同物种中源于共同祖先的同一个基因。而同源拷贝是在同一个体/物种内，分别来自两个（或多个）祖先物种的、功能对应的直系同源基因。

  • 简单类比：想象两个相关物种A和B，它们各自拥有一个功能相同的直系同源基因 X（X_A 和 X_B）。当A和B杂交并加倍形成异源四倍体物种（AABB）后，这个新物种中就同时包含了 X_A 和 X_B 这两个基因。它们在这个新物种内互称为同源拷贝。

形成与生物学意义

1. 形成机制：

   • 两个二倍体物种（基因组分别记为AA和BB）杂交，产生不育的杂种AB（单倍基因组）。

   • 杂种AB的染色体发生全基因组复制，形成可育的异源四倍体（AABB）。

   • 此时，对于祖先物种A中的任何一个基因，在四倍体中都有两个拷贝：一个来自A基因组（在A亚基因组上），一个来自B基因组（在B亚基因组上）。这两个拷贝即为一对“同源拷贝”。

2. 进化动力学与命运：
   同源拷贝在形成后，会经历复杂的进化过程，决定多倍体基因组的长期命运：

   • 功能分化：两个拷贝可能通过亚功能化（各自承担祖先基因的部分功能）或新功能化（一个拷贝获得全新功能）进行分工。

   • 基因沉默/丢失：其中一个拷贝可能因突变而失去功能（假基因化）或从基因组中被删除。研究表明，同源拷贝的丢失往往不是随机的，可能存在优势亚基因组，即来自某一祖先的基因拷贝被更多地保留。

   • 表达偏差：两个同源拷贝的表达水平可能不同，受到来自不同祖先的顺式调控元件和反式作用因子相互作用的调控。

   • 互作网络重构：它们编码的蛋白质需要整合到已有的蛋白互作网络和代谢通路中，可能引发调控网络的重新布线。

研究模型与实例

• 经典模型：普通小麦
  普通小麦是异源六倍体（AABBDD）。对于同一个基因（如控制籽粒硬度的 Pina 基因），它分别在A、B、D三个亚基因组上各有一个拷贝（*Pina-A1*, *Pina-B1*, *Pina-D1*）。这三个拷贝互称为同源拷贝。它们序列相似但不等同，共同贡献于小麦的性状。

• 动物模型：非洲爪蟾
  非洲爪蟾是异源四倍体，其基因组由两个祖先亚基因组（L和S）融合而成。绝大多数基因都有L和S两个同源拷贝，是研究同源拷贝表达与进化命运的绝佳系统。

研究方法与应用

• 鉴定：通过基因组测序与共线性比对，将多倍体中的基因精确锚定到其祖先亚基因组上，从而识别同源拷贝对。

• 表达分析：利用RNA-seq数据，可以分析同源拷贝之间的表达水平分化、组织特异性偏好以及对环境的响应差异。

• 功能研究：利用基因编辑技术（如CRISPR）分别敲除不同的同源拷贝，可以解析它们各自在生理和发育中的具体贡献，这对于多倍体作物育种（如优化特定性状）至关重要。

总结

同源拷贝是多倍体基因组的标志性特征，是理解多倍体基因组休克、适应性进化以及新性状产生的关键切入点。对其研究不仅深化了我们对基因组进化复杂性的认识，也为多倍体作物的遗传改良提供了理论依据。

参考文献

1. Glover, N. M., et al. (2016). Small-scale gene duplications played a major role in the recent evolution of wheat chromosome 3B. Genome Biology, 17, 188. （以小麦为例研究同源拷贝的进化）

2. Session, A. M., et al. (2016). Genome evolution in the allotetraploid frog Xenopus laevis. Nature, 538, 336–343. （非洲爪蟾基因组论文，详细分析了L和S亚基因组同源拷贝的差异）

3. Adams, K. L., & Wendel, J. F. (2005). Polyploidy and genome evolution in plants. Current Opinion in Plant Biology, 8(2), 135-141. （综述了植物多倍体中同源拷贝的进化命运）

4. Chen, Z. J. (2007). Genetic and epigenetic mechanisms for gene expression and phenotypic variation in plant polyploids. Annual Review of Plant Biology, 58, 377-406. （阐述了同源拷贝表达调控的表观遗传机制）

5. Edger, P. P., et al. (2017). Subgenome dominance in an interspecific hybrid, synthetic allopolyploid, and a 140-year-old naturally established neo-allopolyploid monkeyflower. The Plant Cell, 29(9), 2150-2167. （研究了新形成和古老多倍体中同源拷贝的优势表达现象）