Размер генома и его измерение

Введение

Количество ДНК, содержащееся в геноме

Размер генома – это общее количество ДНК, содержащееся в одной копии полного генома. Обычно он измеряется в единицах массы – пикограммах (триллионные (10−12) доли грамма, обозначается pg) или, реже, в дальтонах, либо как общее число пар нуклеотидных оснований, обычно в мегабазах (миллионы пар оснований, обозначается Mb или Мбп). Один пикограмм эквивалентен 978 мегабазам. У диплоидных организмов размер генома часто используется как синоним термина "C-значение". Сложность организма не находится в прямой пропорции с размером его генома; общее содержание ДНК значительно варьируется у различных биологических таксонов. Некоторые одноклеточные организмы содержат гораздо больше ДНК, чем человек, причины чего остаются неясными (см. некодирующую ДНК и загадку C-значения).

Происхождение термина

Термин "размер генома" часто ошибочно приписывается статье Ральфа Хинегарднера 1976 года, даже в дискуссиях, специально посвященных терминологии в этой области исследований (например, Greilhuber 2005). Важно отметить, что в этом контексте Хинегарднер использовал "размер генома" в значении генотипа, подразумевая количество генов. Однако в статье, представленной всего через два месяца, Wolf et al. (1969) использовали термин "размер генома" последовательно и в его современном значении, поэтому, вероятно, именно этим авторам следует приписывать его происхождение в современном понимании. К началу 1970-х годов "размер генома" широко использовался с его нынешним определением, вероятно, благодаря включению этого термина во влиятельную книгу Сусуму Оно "Эволюция путем дупликации генов", опубликованную в 1970 году.

Изменение размера генома и содержания генов

С появлением различных молекулярных методов за последние 50 лет были проанализированы размеры генома тысяч эукариот, и эти данные доступны в онлайн-базах данных для животных, растений и грибов (см. внешние ссылки). Размер ядерного генома обычно измеряется у эукариот с использованием либо денситометрических измерений ядер, окрашенных по Фёльгену (ранее с использованием специализированных денситометров, теперь чаще с помощью компьютерного анализа изображений), либо проточной цитометрии. У прокариот пульс-полевой электрофорез и полное секвенирование генома являются основными методами определения размера генома. Известно, что размеры ядерных геномов значительно различаются среди эукариотических видов. У животных они различаются более чем в 3300 раз, а у наземных растений – примерно в 1000 раз. Сообщалось, что геномы протистов варьируются в размере более чем в 300 000 раз, но достоверность максимальных значений этого диапазона (у амёб) была поставлена под сомнение. У эукариот (но не у прокариот) размер генома не пропорционален количеству генов, присутствующих в геноме – наблюдение, которое казалось совершенно нелогичным до открытия некодирующей ДНК и получило название «парадокс C-значения». Однако, хотя в расхождении между размером генома и числом генов больше нет парадоксального аспекта, этот термин по-прежнему широко используется. Для концептуального уточнения различные вопросы, остающиеся в отношении вариации размера генома, один из авторов предложил рассматривать как более точную формулировку загадки или тайны (так называемую «C-значенческую тайну»). Размер генома коррелирует с рядом измеримых характеристик на клеточном и организменном уровнях, включая размер клетки, скорость клеточного деления и, в зависимости от таксона, размер тела, скорость метаболизма, скорость развития, сложность органов, географическое распространение или риск вымирания. Хотя последнее противоречит прежнему мнению об отсутствии корреляции у эукариот, наблюдаемая нелинейная корреляция у эукариот может отражать непропорционально быстрое увеличение некодирующей ДНК в геномах эукариот всё большего размера. Хотя данные секвенирования генома в основном относятся к небольшим геномам, что может повлиять на точность эмпирически полученной корреляции, и окончательное подтверждение корреляции требует секвенирования некоторых из крупнейших геномов эукариот, текущие данные не исключают возможности её существования.

With the emergence of various molecular techniques in the past 50 years, the genome sizes of thousands of eukaryotes have been analyzed, and these data are available in online databases for animals, plants, and fungi (see external links). Nuclear genome size is typically measured in eukaryotes using either densitometric measurements of Feulgen stained nuclei (previously using specialized densitometers, now more commonly using computerized image analysis) or flow cytometry. In prokaryotes, pulsed field gel electrophoresis and complete genome sequencing are the predominant methods of genome size determination. Nuclear genome sizes are well known to vary enormously among eukaryotic species. In animals they range more than 3,300 fold, and in land plants they differ by a factor of about 1,000. Protist genomes have been reported to vary more than 300,000 fold in size, but the high end of this range (Amoeba) has been called into question. In eukaryotes (but not prokaryotes), genome size is not proportional to the number of genes present in the genome, an observation that was deemed wholly counter intuitive before the discovery of non coding DNA and which became known as the "C value paradox" as a result. However, although there is no longer any paradoxical aspect to the discrepancy between genome size and gene number, the term remains in common usage. For reasons of conceptual clarification, the various puzzles that remain with regard to genome size variation instead have been suggested by one author to more accurately comprise a puzzle or an enigma (the so called "C value enigma"). Genome size correlates with a range of measurable characteristics at the cell and organism levels, including cell size, cell division rate, and, depending on the taxon, body size, metabolic rate, developmental rate, organ complexity, geographical distribution, or extinction risk. Although the latter contrasts with the previous view that no correlation exists for the eukaryotes, the observed nonlinear correlation for eukaryotes may reflect disproportionately fast increasing non coding DNA in increasingly large eukaryotic genomes. Although sequenced genome data are practically biased toward small genomes, which may compromise the accuracy of the empirically derived correlation, and ultimate proof of the correlation remains to be obtained by sequencing some of the largest eukaryotic genomes, current data do not seem to rule out a possible correlation.

Размер человеческого генома

У человека общий женский диплоидный ядерный геном в клетке составляет 6,37 гигабаз (Гб), имеет длину 208,23 см и вес 6,51 пикограмма (пг). Для мужчин эти значения составляют 6,27 Гб, 205,00 см, 6,41 пг. У эукариот, помимо ядерной ДНК, существует также митохондриальная ДНК (мтДНК), которая кодирует определенные белки, используемые митохондриями. мтДНК обычно значительно меньше по размеру, чем ядерная ДНК. Например, человеческая митохондриальная ДНК представлена замкнутыми кольцевыми молекулами, каждая из которых содержит 16 569 пар оснований ДНК, и каждая такая молекула обычно содержит полный набор митохондриальных генов. Каждый человеческий митохондрий содержит в среднем около 5 таких молекул мтДНК.

Редукция генома

Редукция генома, также известная как деградация генома, – это процесс, в ходе которого геном организма уменьшается по сравнению с геномом его предков. Размер генома регулярно меняется, и наиболее значительное уменьшение размера генома наблюдается у бактерий. Наиболее эволюционно значимые случаи редукции генома можно наблюдать в органеллах эукариотических клеток, происходящих от бактерий: митохондриях и пластидах. Эти органеллы произошли от первичных эндосимбионтов, способных выживать внутри клетки-хозяина, и которые, в свою очередь, были необходимы клетке-хозяину для выживания. Многие современные митохондрии содержат менее 20 генов во всем геноме, в то время как современная свободноживущая бактерия обычно имеет не менее 1000 генов. Многие гены, по-видимому, были переданы в ядро клетки-хозяина, а другие просто утрачены, и их функции замещены процессами, происходящими в клетке-хозяине. Другие бактерии стали эндосимбионтами или облигатными внутриклеточными патогенами и в результате подверглись значительной редукции генома. Этот процесс, по-видимому, определяется генетическим дрейфом, вызванным небольшим размером популяции, низкой частотой рекомбинации и высокой частотой мутаций, а не отбором в пользу меньших геномов. Некоторые свободноживущие морские бактериопланктоны также демонстрируют признаки редукции генома, которые, как предполагается, обусловлены естественным отбором.

Миниатюризация генома и оптимальный размер

В 1972 году Майкл Дэвид Беннетт предположил, что существует корреляция между содержанием ДНК и объемом ядра, в то время как Коммоннер, ван’т Хофф и Воробей ранее постулировали, что даже размер клетки и продолжительность клеточного цикла контролируются количеством ДНК. Более поздние теории привели к обсуждению возможности существования механизма, физически ограничивающего развитие генома до оптимального размера. Эти объяснения были подвергнуты критике в статье Кавальера-Смита, где автор указал, что понимание связи между размером генома и объемом клетки связано со скелетной теорией. Основой этой теории является объем клетки, определяемый балансом между преимуществами и недостатками большого размера клетки, оптимизацией соотношения ядро/цитоплазма (кариоплазматическое соотношение) и концепцией, согласно которой большие геномы более подвержены накоплению дуплицирующих транспозонов из-за повышенного содержания некодирующей скелетной ДНК. Геном эндосимбионта B. aphidicola характеризуется размером генома, который в семь раз меньше, чем у E. coli (643 кб против 4,6 Мб), и может рассматриваться как подмножество генов энтеробактерий. Эта гипотеза подтверждается анализом псевдогенов Buchnera, где число делеций более чем в десять раз превышает число вставок, вызванное мутациями и замещениями, особенно на ранних стадиях, когда большое количество генов становится избыточным. Одно из последствий элиминации такого количества последовательностей затронуло даже регуляцию оставшихся генов. Потеря крупных участков генома может привести к потере промоторных последовательностей, что, в свою очередь, может способствовать отбору в пользу эволюции полицистронических регионов, что положительно скажется как на уменьшении размера генома, так и на эффективности транскрипции.

Доказательства миниатюризации генома

Один из примеров миниатюризации генома произошел у микроспоридий – анаэробных внутриклеточных паразитов членистоногих, эволюционировавших из аэробных грибов. В ходе этого процесса сформировались митосомы в результате редукции митохондрий до реликтов, лишенных геномов и метаболической активности, за исключением синтеза железосерных центров и способности проникать в клетки хозяина. Помимо рибосом, которые также были миниатюризированы, многие другие органеллы были практически утрачены в процессе формирования самого маленького генома, обнаруженного у эукариот. Этот экстремальный процесс стал возможен благодаря селективному преимуществу меньшего размера клетки, обусловленному паразитическим образом жизни. Другой пример миниатюризации представлен наличием нуклеоморфов – порабощенных ядер – внутри клеток двух различных водорослей: криптофитов и хлорарахнеев. Нуклеоморфы характеризуются одним из самых маленьких известных геномов (551 и 380 кб), и, как было отмечено для микроспоридий, некоторые геномы значительно уменьшены в размере по сравнению с другими эукариотами из-за практически полного отсутствия некодирующей ДНК. Наиболее интересным является сосуществование этих маленьких ядер внутри клетки, содержащей другое ядро, которое не подвергалось подобной редукции генома. Более того, даже несмотря на то, что клетки хозяина имеют разный объем в зависимости от вида и, следовательно, наблюдается изменчивость размера генома, нуклеоморф остается инвариантным, что указывает на двойной эффект отбора внутри одной и той же клетки.