Кіріспе
Геномдық өлшем – бір толық геномның бір данасындағы ДНҚ-ның жалпы мөлшері. Ол әдетте пикограммалар (грамның триллиондық бөлігі, 10−12, қысқартылып pg) түрінде, сирек жағдайда дальтондарда немесе нуклеотидтік базалық жұптардың жалпы саны ретінде, көбінесе мегабазаларда (миллион базалық жұп, қысқартылып Mb немесе Mbp) өлшенеді. Бір пикограмм 978 мегабазаға тең. Диплоидты организмдерде геномдық өлшем мен C мәні термині көбінесе бір-бірімен алмастырылып қолданылады. Организмнің күрделілігі оның геномдық өлшеміне тікелей пропорционал емес; ДНҚ-ның жалпы мөлшері биологиялық таксондар арасында кең ауқымда өзгереді. Кейбір бір жасушалы организмдерде адамнан гөрі әлдеқайда көп ДНҚ болады, себебі бұл мәселе әлі толыққанды түсіндірілмеген (кодталмайтын ДНҚ және C мәнінің жұмбағын қараңыз).
Genome size is the total amount of DNA contained within one copy of a single complete genome. It is typically measured in terms of mass in picograms (trillionths (10−12) of a gram, abbreviated pg) or less frequently in daltons, or as the total number of nucleotide base pairs, usually in megabases (millions of base pairs, abbreviated Mb or Mbp). One picogram is equal to 978 megabases. In diploid organisms, genome size is often used interchangeably with the term C value. An organism's complexity is not directly proportional to its genome size; total DNA content is widely variable between biological taxa. Some single celled organisms have much more DNA than humans, for reasons that remain unclear (see non coding DNA and C value enigma).
Терминнің шығу тегі
"Геном мөлшері" термині көбінесе 1976 жылы Ральф Хинегарднердің мақаласына қате атрибуцияланады, тіпті осы зерттеу саласындағы терминологияны нақты талқылайтын жағдайларда да (мысалы, Грейлхьюбер 2005). Маңыздысы, Хинегарднер бұл контексте "геном мөлшері" терминін генотип мағынасында, гендер саны деген түсінікпен қолданған. Одан кейін, бар болғаны екі ай өткен соң, Вольф және авторлар (1969) "геном мөлшері" терминін тұтас және қазіргі қолданыста пайдаланған; демек, осы терминді қазіргі мағынада алғаш рет қолданғандар осы авторлар болуы керек. 1970 жылдардың басына қарай "геном мөлшері" термині қазіргі анықтамасымен кеңінен қолданысқа енді, бұл Сусуму Ононың 1970 жылы жарық көрген, "Гендік дупликация арқылы эволюция" атты ықпалды кітабында орын алғандығының нәтижесі болуы мүмкін.
Геномның көлемі мен гендер құрамының өзгеруі
Соңғы 50 жыл ішінде әртүрлі молекулалық техникалардың пайда болуымен мыңдаған эукариоттардың геномдық мөлшері талданды, және бұл деректер жануарлар, өсімдіктер және саңырауқұлақтар үшін онлайн деректер базасында қолжетімді (сыртқы сілтемелерді қараңыз). Ядролық геномның мөлшері эукариоттарда әдетте Фейльгенмен боялған ядролардың тығыздық өлшемі арқылы (бұрын арнайы денситометрлерді пайдалана отырып, қазір көбінесе компьютерлік бейне талдау арқылы) немесе ағын цитометриясымен өлшенеді. Прокариоттарда импульстік өрістік гель электрофорезі және толық геномдық секвенирлеу геном мөлшерін анықтаудың басым әдістері болып табылады. Ядролық геномның мөлшері эукариот түрлері арасында өте кең ауқымда өзгеретіні белгілі. Жануарларда ол 3300 еседен астам, ал құрлықтағы өсімдіктерде шамамен 1000 есеге дейін айырмашылықты құрайды. Протист геномдарының мөлшері 300 000 еседен астам өзгеретіні туралы хабарланған, бірақ осы ауқымдағы ең жоғары көрсеткіш (Амеба) күмәнді. Эукариоттарда (бірақ прокариоттарда емес) геном мөлшері геномдағы гендер санына пропорционал емес, бұл жайт, кодтамайтын ДНК ашылғанға дейін мүлдем интуитивті емес деп есептелген және нәтижесінде «C мәні парадоксы» деп аталды. Дегенмен, геном мөлшері мен гендер саны арасындағы қарама-қайшылық енді парадоксальды болып табылмайды, бірақ термин әлі де жиі қолданылады. Тұжырымдық нақтылық үшін геном мөлшерінің өзгеруіне байланысты туындайтын әртүрлі мәселелерді бір автор жұмбақ немесе энигма деп атауды ұсынды («C мәні энигмасы» деп аталады). Геном мөлшері жасуша және организм деңгейінде өлшенетін әртүрлі сипаттамалармен байланысты, оның ішінде жасуша мөлшері, жасуша бөліну жылдамдығы және таксонға байланысты дене мөлшері, метаболизм жылдамдығы, даму жылдамдығы, ағзаның күрделілігі, географиялық таралуы немесе жойылу қаупі. Бұл соңғысы эукариоттар үшін бұрынғыдай ешқандай байланыс жоқ деген көзқарасқа қайшы келсе де, эукариоттарда байқалған сызықтық емес байланыс үлкен эукариоттық геномдарда кодтамайтын ДНК-ның тез өсуін көрсетеді. Секвенирленген геномдық деректер көбінесе кіші геномдарға қарай бейімделгендіктен, бұл эмпирикалық алынған корреляцияның дәлдігіне әсер етуі мүмкін, ал корреляцияның толыққанды дәлелін алу үшін кейбір ірі эукариоттық геномдарды секвенирлеу қажет, бірақ қазіргі деректер мүмкін болатын корреляцияны жоққа шығармайды.
Адам геномның көлемі
Адамда бір жасушадағы әйелдің толық диплоидты ядролық геномы 6,37 гигабазалық жұпқа (Gbp) жетеді, ұзындығы 208,23 см және салмағы 6,51 пикограмм (pg). Еркектердегі көрсеткіштер 6,27 Gbp, 205,00 см, 6,41 пг. Эукариоттарда ядролық ДНҚ-дан өзге митохондриялық ДНҚ (мтДНҚ) да болады, ол митохондриялар пайдаланатын белгілі бір ақуыздарды кодтайды. мтДНҚ әдетте ядролық ДНҚ-мен салыстырғанда кішкентай болады. Мысалы, адамның митохондриялық ДНҚ-сы жабық сақина тәрізді молекулалардан тұрады, олардың әрқайсысы 16 569 ДНҚ негіз жұбынан құралған, ал әрбір молекула митохондриялық гендердің толық жиынтығын қамтиды. Әрбір митохондрияда орташа есеппен шамамен 5 мтДНҚ молекуласы болады.
Геномды қысқарту
Геномды азайту, сондай-ақ геномның ыдырауы деп те аталады, – бұл организмнің геномы ата-аналарына қарағанда қысқару процесі. Геномдар мөлшері үнемі өзгеріп отырады, ал геном мөлшерінің азаюы бактерияларда ең маңызды. Эволюциялық тұрғыдан ең маңызды геномдық азайту жағдайларын бактериялардан пайда болған деп есептелетін эукариоттық органеллаларда байқауға болады: митохондриялар мен пластидтер. Бұл органеллалар бастапқы эндосимбионттардан тараған, олар жас тінді клетканың ішінде тірі қалуға қабілетті және жас тінді клетка да оларға тірі қалу үшін мұқтаж болған. Көптеген қазіргі митохондриялардың геномында 20 геннен аз бар, ал қазіргі еркін тіршілік ететін бактерияда әдетте кем дегенде 1000 ген болады. Көптеген гендер, көрінетіндей, жас тінді клетканың ядросына ауыстырылған, ал қалғандары жоғалып, олардың функциясы жас тінді клетканың процестерімен алмастырылған. Басқа бактериялар эндосимбионттарға айналған немесе міндетті ішкі жасушалық патогендерге айналып, нәтижесінде геномның кең ауқымда азаюы байқалған. Бұл процеске генетикалық дрейф басымдық танытады, себебі популяцияның аз болуы, рекомбинация деңгейінің төмендігі және жоғары мутация деңгейі, кішкентай геномдарды таңдаудан гөрі. Кейбір еркін тіршілік ететін теңіз бактериопланктондары да геномның азаю белгілерін көрсетеді, бұл табиғи іріктеу арқылы жүзеге асырылады деп болжанады.
Геномды шағыншалау және оптималдық өлшемі
1972 жылы Майкл Дэвид Беннетт ДНК мазмұны мен ядролық көлем арасындағы байланыс бар екенін болжады, ал Commoner, van’t Hoff және Sparrow одан бұрын жасуша мөлшерінің және жасуша циклі ұзындығының ДНК мөлшерімен реттелетінін айтқан. Жақындағы теориялар геномның дамуын физикалық тұрғыдан оптималды өлшемге дейін шектейтін механизмнің болу мүмкіндігін талқылауға жеткізді. Бұл түсіндірмелерге Кавалье Смиттың мақаласында қарсылық білдірілді, онда автор геном мөлшері мен жасуша көлемі арасындағы байланысты түсінудің скелеттік теориямен байланысты екенін көрсетті. Бұл теорияның негізі жасуша көлеміне байланысты, үлкен жасуша мөлшерінің артықшылықтары мен кемшіліктері арасындағы бейімделу тепе-теңдігі, ядро:цитоплазма (кариоплазмалық қатынас) арақатынасын оңтайландыру және үлкен геномдардың кодтамайтын скелеттік ДНК-ның жоғары мазмұнының салдарынан көбейтілген транспозондардың жиналуға бейімделуі тұрғысынан қарастырылады. Эндосимбионт B. aphidicola геномы E. coli-ге қарағанда жеті есе кішідірек (643 кб-қа қарағанда 4,6 Мб) және оны ішек бактерияларының гендік жиынтығының ішінара бөлігі деп қарастыруға болады. Бұл гипотеза Бухнераның псевдогендерін талдау арқылы расталды, ондағы жоюлар саны мутациялар мен алмастыруларға байланысты кіріктірулер санынан он еседен астам болды, әсіресе алғашқы кезеңдерде көптеген гендер қажетсіз болып шықты. Мұндай тізбектердің жойылуының салдары ретінде қалған гендердің реттелуіне де әсер етті. Геномның үлкен бөлігінің жоғалуы нәтижесінде промоторлық тізбектердің жоғалуына әкелуі мүмкін. Бұл, өз кезегінде, полицистроникалық аймақтардың эволюциясына ықпал етуі мүмкін, бұл мөлшерді азайтуға және транскрипция тиімділігіне оң әсер етеді.
Геномның шағыншалануына дәлел
Геномның миниатюризациялануының бір мысалы – аэробикалық саңырауқұлақтардан пайда болған буынты жануарлардың анаэробты ішкі жасушалық паразиті микроспоридияда кездеседі. Осы процесте митохондриялар геном мен метаболикалық белсенділіктен, тек темір-күкірт орталықтарын өндіру және жасуша иесіне ену қабілетінен айырылған, қалдық құрылымға дейін азайтылды, нәтижесінде митосомалар пайда болды. Рибосомалардан басқа, сондай-ақ кішірейтілген, эукариоттардағы ең кішкентай геномның қалыптасу процесінде көптеген басқа органеллалар да жоғалып кетті. Бұл ерекше процеске паразиттік тіршілік салтының талаптарынан туындаған, жасуша өлшемінің кішіреюіне бағытталған тиімді таңдау мүмкіндік берді. Миниатюризацияның тағы бір мысалы – екі түрлі балдырдың, криптофиттердің және хлораханеялардың жасушаларының ішіндегі құл ядролар – нуклеоморфтардың болуы. Нуклеоморфтар белгілі ең кішкентай геномдардың бірімен (551 және 380 кб) сипатталады, және микроспоридияларда байқалғандай, басқа эукариоттармен салыстырғанда кейбір геномдардың ұзындығы айтарлықтай қысқа, себебі кодтамайтын ДНҚ өте аз. Ең қызықтысы – геном мұндай деңгейде қысқартылмаған екінші ядроны қамтитын жасушаның ішінде осы кішкентай ядролардың қатар өмір сүруі. Сонымен қатар, тіпті жасуша иесінің көлемі түрлерге қарай өзгеретін болса да, және геном мөлшері де сол сияқты өзгерсе де, нуклеоморфтар өзгермейді, бұл бір жасушаның ішіндегі екі түрлі таңдаудың нәтижесін көрсетеді.