Homologie (genetica)

Met het begrip wordt soms op wat verwarrende wijze omgegaan. Indien twee genen een (aantoonbare) gemeenschappelijke voorouder hebben, zijn die genen homoloog. Hebben ze dat niet, dan zijn ze niet homoloog. De mate van overeenkomst van de basevolgorde is daarbij van geen belang. Een grote mate van overeenkomst helpt natuurlijk wel om de gemeenschappelijke afstamming vast te stellen. In principe zijn genen dus niet een beetje homoloog; ze zijn of homoloog, of ze zijn het niet. Gedeeltelijke homologie is overigens wel mogelijk als onderdelen van een complex gen homoloog zijn en andere onderdelen niet. Maar ook in dat geval is de mate van overeenkomst van geen belang. Hoewel de mate van (sequentie)overeenkomst kan worden uitgedrukt als een percentage, geldt dat dus niet voor homologie. Dit brengt met zich mee dat als twee genen (basevolgorde in het DNA) homoloog zijn, dat dit ook geldt voor de eventueel uit deze genen geproduceerde eiwitten (op het DNA gebaseerde volgorde van aminozuren). Twee eiwitten zijn homoloog dan en slechts dan als de onderliggende DNA sequenties homoloog zijn.

Omdat homologe genen een gemeenschappelijke voorouder hebben, ligt het voor de hand te verwachten dat homologe genen eenzelfde biomoleculaire rol vervullen. Dit is echter maar zeer gedeeltelijk waar en hangt sterk af van de evolutionaire afstand tussen de genen. Zo heeft de long een heel andere functie dan de homologe zwemblaas. Tegelijk kan een gen in een organisme gemakkelijk tien homologe genen hebben in een ander organisme, waarbij geen enkele van deze homologen dezelfde functie hoeft te hebben. Daarbij komt het veel voor dat een organisme een aantal genen heeft die homoloog zijn aan elkaar, elk met een andere taak.

Homologie is verder op te delen in orthologie en paralogie.

Gezien het bovenstaande heeft het begrip homologie beperkt nut binnen de bioinformatica. Het begrip ortholoog duidt op een veel sterkere relatie. Stel dat uit een voorouderlijke soort, soort "X", twee soorten, "X1", en "X2" ontstaan. Dan beschikken beide soorten "X1", en "X2" grotendeels over eenzelfde set genen. Van (vrijwel) elk gen in soort "X1" bestaat er dan een overeenkomstig gen in soort "X2". Genen die op deze wijze zijn gerelateerd, zijn ontstaan uit hetzelfde gen in de laatste gemeenschappelijke voorouder, worden ortholoog genoemd. Orthologe genen hebben vrij vaak dezelfde biomoleculaire functie. Als we het orthologie-begrip zouden toepassen op organen kunnen we stellen dat de longen van een krokodil ortholoog zijn aan onze longen, en inderdaad, die hebben dezelfde functie. (Hier geldt dat ook de zwemblaas ortholoog is aan onze longen, echter over een veel grotere evolutionaire afstand - de laatste gemeenschappelijke voorouder van ons en vissen was een voorouderlijke beenvis - hetgeen duidelijk maakt dat ook bij orthologie functiebehoud niet gegarandeerd is).

Bij orthologie gaat het altijd om onderdelen uit verschillende organismen.

Orthologe genen ontstaan dus simpelweg door vermenigvuldiging van organismen (en de afsplitsing van soorten). Waarbij kleine foutjes in de DNA-reproductie leiden tot een langzaam uiteengroeien van genen, kunnen grotere fouten leiden tot duplicatie van hele stukken DNA. Als gevolg van dergelijke reproductiefouten kunnen bepaalde genen dubbel voorkomen. Dergelijke genen worden paraloog genoemd. Paraloge genen zijn dus genen die afstammen van een enkel gen in dezelfde soort. Paraloge genen hebben doorgaans elk een eigen specifieke biomoleculaire rol.

Stel dat soorten "X1" en "X2", die beide afstammen van soort "X", een gen hebben dat we aanduiden als "G". Gen "G" heeft dan twee orthologe varianten: "G1" en "G2" in respectievelijk soorten "X1" en "X2". Stel nu dat in soort "X2" een genduplicatie optreedt, waarbij van gen "G2" twee paraloge genen krijgt: "G2-1" en "G2-2". Beide genen uit soort "X2" stammen, net als gen "G1" uit soort "X1", af van gen "G" in de laatste gemeenschappelijke voorouder "X". Dat betekent dat zowel "G2-1" als "G2-2" ortholoog zijn aan "G1". De genen "G2-1" en "G2-2" worden co-ortholoog genoemd aan gen "G1". In de situatie dat co-orthologie optreedt (en dus ook paralogie), is het een weinig waarschijnlijk dat beide paraloge genen "G2-1" en "G2-2" dezelfde functie hebben als hun ortholoog "G1" in soort "X1". Welk van de twee co-orthologen de oorspronkelijke functie heeft behouden (zo er al een is), is niet zonder meer duidelijk. Mocht er toch een gen aangewezen kunnen worden dat de oorspronkelijke functie heeft behouden, dan wordt dat soms aangeduid als "de echte ortholoog". Dit is echter onjuist: beide genen blijven co-ortholoog, maar een daarvan heeft de functie behouden, terwijl de ander een nieuwe rol heeft gekregen.

Het zal duidelijk zijn dat ook soorten "X1" en "X2" verder kunnen opsplitsen in nieuwe soorten, en dat in beide takken nieuwe genen kunnen ontstaan door genduplicatie, of genen kunnen verdwijnen. De relaties tussen genen kunnen daardoor bijzonder ingewikkeld worden, waarbij zelfs de termen ortholoog, paraloog, en co-ortholoog, de onderliggende relatie onvoldoende beschrijven. Bijgevolg zou men zich al snel moeten baseren op fylogenetische bomen om de relaties helder te krijgen.

"Homoloog" is afgeleid van het Grieks: homos = hetzelfde; logos = woord, gedachte; homologia = overeenkomst.