montreak 生信人 20200201
大家新年好呀，这个春节大家在家肥宅开心吗？新型冠状病毒想必大家已经不陌生了。今天我们就由此来谈谈病毒的同源性吧。日前，《新型冠狀病毒诊断方案》第四版刚刚出炉，其中指出新型冠状病毒与SARS同源性达85%。那么，何为“同源性”？
“同源性”是在进化生物学领域广泛使用的术语，英文为homology。这一概念的首次提出要追溯到上个世纪。1843年，对于比较解剖学家理查德欧文爵士（Sir Richard Owen）来说是可喜可贺的一年，这一年，出生于英格兰西北小城兰卡斯特（Lancaster）的欧文当选为瑞典皇家科学院的海外院士。也正是这一年，欧文在皇家外科学院（Royal College of Surgeons）的一次演讲中提出了同源性的概念：the same organ in different animals under every variety of form and function（相同器官在不同动物中的各种形式和功能）【1】，尽管在很多人眼里，欧文更重要的贡献或许是伦敦自然博物院的建立和恐龙的命名【2】
理查德·欧文（左）和瓦特·菲奇（右）
由上面的定义可知，“同源性”的概念代表了进化的思想，这在当时的世界可以说是超前卫的观点。八年之后，《物种起源》出版。尽管达尔文在这本改变世界的著作中并未直接使用“homology”【3】，但一年后，有着“达尔文斗牛犬”（Darwin's bulldog）美誉的赫胥黎（Thomas H. Huxley）在《物种起源》的review中已使用同源的概念作为进化的证据【3，4】。
后来，随着遗传学的出现，同源性的定义拓展到了遗传物质的范畴。让我们看一下维基对于序列同源性的介绍：
Sequence homology is the biological homology between DNA, RNA, or protein sequences, defined in terms of shared ancestry in the evolutionary history of life.【5】
写得很清晰：序列同源性是指DNA、RNA、或者蛋白序列的生物学同源性，由它们在进化过程中的共同祖先判定。再拓展一点，homolog同源物（或同源基因）在序列层面还可以大致上分为ortholog直系同源（基因）和paralog旁系同源（基因）。前者是通过物种分离（speciation）形成的，而后者往往是基因倍增（duplication），美国分子进化学家瓦特·菲奇（Walter Fitch）对这些概念首先做出了明确区分【6】。但不论如何，重要的是，可以被称为homolog的基因，都必须满足“拥有共同祖先”这一标准。
同源基因（组蛋白H1）的序列比对【5】。从上到下的物种分别为人、黑猩猩、小鼠、大鼠、奶牛
直系同源与旁系同源【5】
说一对基因属于同源基因，一般而言并不是一个既定的事实，因为我们对于共同祖先的推断并非确凿的实验，而是对历史的推断。我们说基因a和基因 b是同源基因，一般是因为它们序列相似性足够得高，以至于除非二者“同源”，否则很难从随机的DNA片段里产生。当然，有些基因或许享有同一个起源，但或是进化速度太快，或是进化时间太久，或其他原因，总之我们现在找不到这些基因之间明显的“看上去”的同源的痕迹，那一般而言便不能判断同源关系。
可见，同源性是一个二元性的概念，要么是0，没有同源性——不是同一个来源，要么是1，有同源性——是同一个来源。其实，中文“同源”的字面意义已经足够明确了。
最后，我们回头看看文章开头的部分。“SARS-CoV与2019-nCoV的同源性为85%”，按严格的学术定义，似乎是不严谨的。实际上，任何介于0-1之间的homology严格意义上说都是不严谨的【5，7】。按照【7】所述“Research papers sometimes wrongly quote values of ‘percent homology’. In these cases ‘percent identity’ is meant, as two genes either have a common ancestor or they do not.”，我们可以理解为表达的意思为是序列identity为85%。如果有人理解为是85%的把握认为两者同源，也并不正确，因为任何一个BLAST搜索就会告诉大家它们的同源性是100%。更具体一点，来自意大利米兰大学的Diego Forni等人在2016年的一篇文章里对整个冠状病毒的进化历史做了梳理，其中直接讨论了所有冠状病毒的共同祖先的起源，感兴趣的朋友不妨找来读下【8】。
引文
1. Owen, Richard (1843). Lectures on the Comparative Anatomy and Physiology of the Invertebrate Animals, Delivered at the Royal College of Surgeons in 1843.
2. Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Owen
3. Koonin, Eugene V. "Orthologs, paralogs, and evolutionary genomics." Annu. Rev. Genet. 39 (2005): 309-338.
4. Huxley THH. 1860. ‘The Origin of Species’. Westminst. Rev. 17:541–70
5. wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Sequence_homology
6. Fitch, W. M. (1970). Distinguishing homologous from analogous proteins. Systematic Biology 19 (2): 99-113.
7. Webber, Caleb, and Chris P. Ponting. "Genes and homology." Current Biology 14.9 (2004): R332-R333.
8. Forni, Diego, et al. "Molecular evolution of human coronavirus genomes." Trends in microbiology 25.1 (2017): 35-48.
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作者原创，原载于生信人公众号
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