旁系同源（Paralogs）指同一物种内通过基因复制机制产生的同源蛋白，这类蛋白可能进化出与原始基因相关的新功能。与直系同源（物种分化产生的同源基因）不同，旁系同源的产生机制聚焦于基因重复事件而非垂直遗传。在生物信息学研究中，旁系同源基因的功能分化为揭示分子进化机制提供重要线索，其实例包括人类血红蛋白β与δ基因、线粒体基因组中的重复序列等。

旁系同源基因由DNA复制错误或染色体交叉异常引发的基因重复事件形成。这类基因在物种进化过程中保留了与原始基因相似的序列特征，但可能通过点突变或结构重组获得新功能。2004年发表的系统发育分析表明，人类基因组中存在超过10,000对旁系同源基因。

根据基因重复事件与物种分化事件的时序关系，分为内旁系同源（物种分化后基因重复）与外旁系同源（物种分化前基因重复）：

旁系同源蛋白的功能演化呈现三种路径：

微粒体环氧化物水解酶与可溶性环氧化物水解酶的案例表明，旁系同源基因可通过功能分化增强生物体环境适应能力。

旁系同源检测主要依靠序列比对与进化树构建技术：

2024年发表的基因编组研究显示，旁系同源识别准确率可达87.6%（基于NCBI数据库统计）。

旁系同源分析在以下领域具有核心价值：

例如在丁二烯生物合成专利中，研究者通过筛选大肠杆菌旁系同源基因提升产物合成效率。