人和动物如何通过基因区别？

人和动物如何通过基因区别？

不同物种间的基因组相似性及其导致的表型差异，一直以来都是科学家们追寻生命奥秘的重要线索。 这是一场跨越物种界限的奇妙之旅，引领我们深入基因的丛林，探寻那些隐藏在序列之中的秘密。

想象一下，当我们与黑猩猩——这个与我们共享了漫长进化历史的物种——进行对比时，不禁为它们与我们高达96%以上的基因相似度所震撼。 这简直就像两幅细致入微的画作，尽管整体构图相似，但微妙的色彩和笔触差异却赋予了它们各自独特的韵味。这些微小的基因差异，或许正是导致我们在智力、语言和社会行为等方面呈现出丰富多样性的关键所在。

再来看小鼠，这个在实验室里频繁露脸的小家伙，它的基因组与我们有着大约90%的相似度。这种相似性就像两本书，虽然内容各有千秋，但框架和结构却惊人地相似。正因为这种高度的相似性，小鼠成为了我们研究人类疾病的得力助手。通过在小鼠身上进行实验，科学家们能够更直观地了解人类疾病的发病机制，并筛选出潜在的治疗药物。这种跨物种的合作，让我们在疾病治疗的道路上迈出了坚实的步伐。当我们谈及某一动物的基因与人类基因进行对比时，需要注意的是，我们通常是在讨论编码蛋白质基因的相似性，而不是整个DNA序列的相似性。这两者其实是生物学领域中两个不同的概念，它们在定义、关注点以及研究意义等方面都存在着显著的差异。

在实际应用中，编码蛋白质基因的相似性对比也更为直接和有效。它通常用于比较不同物种或个体在特定功能上的差异和相似性，通过对比编码蛋白质基因的序列，我们可以识别出保守的氨基酸序列和功能域，为疾病治疗、药物研发等领域提供重要线索。例如，通过寻找与人类疾病相关基因的动物同源序列，我们可以深入研究疾病的发病机制，探索潜在的治疗方法。 相比之下，整个DNA序列相似性则更多地用于研究物种间的进化关系、种群遗传学以及基因组结构的变化等。它为我们提供了关于物种间遗传联系和基因结构变异的宝贵信息，有助于我们更全面地了解生命的多样性和复杂性。

那么，我们是如何发现这些基因相似性的呢？这离不开那些能够编码蛋白质的基因。这些基因就像是生命的指挥家，精确地调控着细胞内的各种活动。通过比较不同物种间编码蛋白质基因的相似性，我们能够深入了解它们在功能上的保守性和差异，进而揭示物种间的进化关系和生物多样性的奥秘。 以下是一些常用的评估编码蛋白质基因相似性的方法：

• 序列比对（Sequence Alignment）

• 局部比对：关注序列中局部相似区域，如BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）常用于数据库搜索，快速找出与查询序列相似的已知序列。

• 全局比对：考虑整个序列的相似性，常用于比较两个完整基因或蛋白质序列的相似性。

• PAM矩阵（Point Accepted Mutation Matrix）

• PAM矩阵基于进化模型，反映了氨基酸在进化过程中发生突变的频率。

首先，编码蛋白质基因相似性主要关注的是那些能够直接编码蛋白质的基因序列之间的相似性。这些基因在生命活动中起着至关重要的作用，通过编码蛋白质来执行各种功能。当我们比较不同物种或个体之间的编码蛋白质基因相似性时，能够了解到这些基因在功能上的保守性和差异，从而揭示物种间的进化关系以及生物多样性的本质。

与之相对，DNA序列相似性则是一个更为广泛的概念。它不仅包括编码蛋白质的基因序列，还涵盖了非编码区、调控序列、内含子等多个部分。这些序列虽然不直接编码蛋白质，但它们同样在生命活动中扮演着重要的角色，参与基因的表达调控、DNA复制、修复等多种生物过程。因此，比较整个DNA序列的相似性可以为我们提供更全面、更深入的了解物种间的基因组结构和功能差异。

从研究意义上看，编码蛋白质基因相似性主要关注的是基因的功能保守性和差异，而整个DNA序列相似性则更多地反映了物种间的进化关系和基因组结构的差异。通过对比编码蛋白质基因的相似性，我们可以更直接地了解不同物种或个体在特定功能上的相似和差异，进一步揭示物种间的进化关系和功能联系。

• o通过PAM矩阵，可以计算两个蛋白质序列之间的进化距离，从而评估它们的相似性。
• BLOSUM矩阵（Blocks Substitution Matrix）
• BLOSUM矩阵基于高度保守的蛋白质序列区域构建，适用于比较较远的物种间的蛋白质序列。
• 该矩阵考虑了不同氨基酸替换的频率和保守性，对于评估蛋白质序列的相似性特别有效。
• 同源性搜索
• 利用已知的蛋白质序列或结构信息，在数据库中进行同源性搜索，找出与查询序列相似的已知序列。
• 这些已知序列可以提供关于查询序列功能、结构和进化关系的线索。
• 蛋白质结构比对
• 如果蛋白质的三维结构已知，可以通过比较它们的结构来评估相似性。
• 结构比对可以揭示蛋白质在功能上的保守性和差异，即使它们的序列相似性较低。
• 进化树分析
• 构建包含多个物种蛋白质序列的进化树，可以揭示它们之间的进化关系和相似性。
• 进化树分析通常基于序列比对和进化模型，可以提供关于蛋白质序列演化的全面视角。

探索不同物种间的基因组相似性及其导致的表型差异，不仅是对生命科学领域的一次深入探索，更是对人类自身以及生物多样性的全新理解。随着科学技术的不断进步，相信未来我们还将发现更多关于基因和生命的惊人秘密，为人类的健康和发展带来更多的启示和希望。

参考文献：

[1] Altschul, Stephen F. "Substitution Matrices." eLS (2001).

[2] Chagneau, Anthony, et al. "Quantum algorithm for bioinformatics to compute the similarity between proteins." arXiv preprint arXiv:2402.09927 (2024).

[3] Hoban, Sean, et al. "Genetic diversity targets and indicators in the CBD post-2020 Global Biodiversity Framework must be improved." Biological Conservation 248 (2020): 108654.

本文原文来自bilibili