У кого самый большой геном?

Все живые существа, от людей до червей и бактерий, имеют геномы. В этом эксперименте мы сравним размеры генома различных организмов, чтобы выяснить, кто имеет самый маленький, а кто - самый большой геном.

Все живые существа имеют набор "инструкций", хранящихся в ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте). Будь вы человек, крыса, помидор или бактерия, каждая клетка будет иметь ДНК. ДНК - это схема всего, что происходит внутри клетки каждого организма, и каждая клетка имеет целую копию одного и того же набора инструкций. Весь набор инструкций называется геномом, а информация хранится в коде нуклеотидов (A, T, C и G).

Информация, хранящаяся в ДНК, кодируется в наборы нуклеотидных последовательностей, называемых генами. Каждый ген представляет собой набор инструкций для создания определенного белка. У белка есть та определенная работа, которую он выполняет, называемая функцией.

Поскольку разные клетки тела выполняют разные задачи, многие гены будут найдены в одних клетках, но их не будет в других. Например, некоторые гены кодируют белки, специфичные для клеток крови, такие как гемоглобин. Другие гены кодируют белки, специфичные для поджелудочной железы, как инсулин. Несмотря на то, что разные гены находятся в разных клетках, все клетки и органы работают вместе, они хорошо скоординированы, чтобы тело могло функционировать как надо.

У каждого человека есть свой собственный код ДНК, но как код всего с четырьмя буквами может быть уникальным? Трудно представить, как код с таким количеством букв может содержать так много информации. Ключ в том, что чем длиннее код, тем больше уникальных последовательностей в нем может быть. Например, геном человека составляет около 3 миллиардов пар оснований в длину и имеет примерно 20000-25000 генов!

В этом исследовании мы будем искать размеры генома различных типов животных.

Размер генома может быть измерен путем количественного определения того, сколько ДНК находится в ядре клетки животного. Чем больше геном, тем больше ДНК в ядре.

Ядерная ДНК измеряется в пикограммах (pg), это микроскопическая длина. Один пикограмм равен одной триллионной грамма! Размер генома в пикограммах называется C-значением и используется для сравнения относительных размеров геномов разных видов.

Мы обратимся к онлайн-базе данных размеров генома животных www.genomesize.com, чтобы узнать C-значение разных видов. Эта база данных использует научное название видов, оно не всегда совпадает с общепринятым. Так что же будет иметь самый большой геном?

Чтобы провести исследование, нам нужно знать, что означают следующие термины:

• организм
  

• геном
  

• последовательность ДНК
  

• базовые пары
  

• C-значение
  

• пикограмм (ПГ)
  

Мы можем узнать, какой геном у нас и у любимого животного? Насколько велик самый большой геном? Насколько он больше, чем самый маленький?

Проведение исследования

Переходим в базу данных размеров генома животных (www.genomesize.com). На август 2019 года количество видов/подвидов в базе данных: 6222 (3793 позвоночных, 2429 беспозвоночных).

Чтобы получить представление о типах животных, которые находятся в базе данных, смотрим верхний левый угол веб-сайта. Мы увидим изображения различных животных. Чуть ниже изображения представлено научное название животного и С-значение размера генома в пикограммах (pg).

Теперь можно составить таблицу данных.

Общее название, научное название, категория (птица, млекопитающее и др.), размер генома и C-значение (pg).

Записываем интересные результаты в таблицу.

Эксперимент можно провести несколькими способами:

• выбрать любимых животных и найти их в базе данных
  

• сосредоточиться на одной группе животных (например, рептилиях) и сравнить их размеры генома
  

• выбрать очень разные типы животных и сравнить их размеры генома
  

Интересно искать крайности! Найти самый большой и самый маленький геном, и узнать, кому они принадлежат.

Кстати, есть много других геномов, кроме геномов животных. Можно также сравнить размеры генома других организмов, например:

• растения
  

• грибы (дрожжи, плесень, грибы)
  

• протисты (одноклеточные эукариоты)
  

• бактерии (прокариоты)
  

• архебактерии (древнейшие прокариоты)
  

А зачем вообще знать размер генома?

Нам нужно знать, сколько ДНК находится в геноме, прежде чем его можно будет секвенировать, работать с ним в любой генетической библиотеке.

С теоретической точки зрения, эволюция размера генома была загадкой в генетике более 50 лет и исследование имеет важные последствия для эволюционной теории в целом.

Так у кого же самый большой и самый маленький геном?

Результаты могут показаться неожиданными. Самый большой геном, оказывается, вовсе не у человека, и не у кита.

Согласно базе данных:

• Самый маленький размер генома животного: 0.02 pg, Pratylenchus coffeae, растительно-паразитарная нематода.
  

• Самый большой размер генома животного: 132.83 pg, Protopterus aethiopicus, мраморная двоякодышащая рыба.
  

Что касается самого маленького генома, в настоящее время этот рекорд побит (читайте далее).

Самый большой геном - у мраморной африканской двоякодышащей рыбы, Protopterus aethiopicus, 132Gb (примерно в 40 раз больше, чем у людей). Это намного больше, чем у любого млекопитающего.

Мраморная двоякодышащая рыба (Protopterus aethiopicus).

Самый маленький размер генома животного, как сообщалось, встречался у некоторых нематод рода Meloidogyne (~ 30 Мб) или у плаценты Trichoplax adhaerens (~ 40 Мб). Однако теперь сообщают о еще меньшем геноме в растительной паразитарной нематоде: размер генома Pratylenchus coffeae оценивается примерно в 19 Мб, что делает его самым маленьким геномом среди многоклеточных.

Сегодня исследователи говорят, что симбиотическая бактерия под названием Carsonella ruddii, которая живет за счет питающихся соком насекомых, побила рекорд на самый маленький геном - всего 159662 букв (или пар оснований) ДНК и 182 гена, кодирующих белок.

Это интересно

Один из самых больших геномов принадлежит очень маленькому существу, амебе Дубии (Amoeba dubia) - 670 миллиардов единиц ДНК, или пар оснований. Геном его двоюродного брата, амебы Протея (Amoeba proteus), имеет лишь 290 миллиардов пар оснований, но это все равно в 100 раз больше, чем геном человека!

Человеческий геном - около 3,5 миллиардов пар, не так уж много. Если напечатать его как книгу, то получится 1000 книг по 1000 страниц каждая.

Приходится признать, что размер генома поразительно не связан со сложностью устройства организмов. Этот парадокс называется "загадкой значений С", где С - это количество ДНК в клетке (C-value paradoх, "парадокс величины генома").

Эукариоты (живые организмы, клетки которых содержат ядро) имеют в среднем геномы больше, чем прокариоты (живые организмы, клетки которых не содержат ядро). Позвоночные животные имеют в среднем геномы больше, чем беспозвоночные. Но есть исключения, которые пока никто не может объяснить.

Библиография

Leroy, S, S. Bouamer, S. Morand, and M. Fargette. 2007. Genome size of plant-parasitic nematodes. Nematology 9: 449-450.

ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%BC (обращение от 31 июля 2019)