Геном – код жизни внутри всех живых организмов

геном

Что такое геном?

Геном – это весь материал, который несет наследственную информацию клетки или вирусной частицы. Он существует как хромосомы, ДНК , или РНК в случае РНК-вирусов. В абстрактном смысле это также включает в себя всю наследственную информацию человека.

Термин «геном» был введен Гансом Винклером в 1920 году. Исследования генома обычно исследуют структурные вариации и взаимодействия между гены .

Геном человека организован в хромосомы, которые содержат последовательности ДНК, содержащие гены. Источник: LoStrangolatore / CC BY 3.0
Вы заинтересованы в расшифровке 100% вашей ДНК? Nebula Genomics предлагает самое доступное секвенирование всего генома! Начните жизнь открытий с полного доступа к вашим геномным данным, еженедельным обновлениям на основе последних научных открытий, расширенному анализу предков и мощным инструментам исследования генома. Нажмите сюда, чтобы узнать больше!

Под редакцией Кристины Сордс, доктора философии.

Основы

Информация, необходимая для наследования признаков, содержится в ДНК. Более конкретно, он находится в последовательности оснований ДНК аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина. (Т). Рибонуклеиновые кислоты используют базовый урацил (U) вместо тимина. Согласно правилу генетического кода, каждое из трех последовательных оснований означает одну аминокислоту.

Различают кодирующие и некодирующие участки ДНК. Белки образуются из аминокислот в ходе экспрессии генов в соответствии с последовательностью оснований кодирующих участков. Однако некодирующие области также могут выполнять важные функции, например, в регуляции генов. Есть также псевдогены: гены, которые перестали функционировать из-за мутаций и больше не могут быть прочитаны организмом.

Помимо ДНК в ядре, в других частях клетки можно найти дополнительный генетический материал. У эукариот небольшие собственные последовательности генома находятся в митохондриях (митогеном, также хондриом). В водорослях и наземных растениях они почти всегда находятся в хлоропластах и других пластидах (пластоме). Прокариоты (бактерии и археи) часто содержат дополнительные относительно короткие самодостаточные молекулы ДНК, называемые плазмидами.

Организация геномов

Эукариоты

У эукариот ядерный геном (кариома) состоит из нескольких или множества нитевидных хромосом. Ядерная ДНК также называется ядерной ДНК (яДНК). Количество хромосом зависит от вида и может варьироваться от двух (у конского червя) до нескольких сотен (у некоторых папоротников).

Число хромосом также изменяется при изменении ядерной фазы (мейоз и кариогамия). В геномах эукариот также есть высокая доля некодирующей ДНК и интрон-экзонная структура в генах.

Прокариоты

У прокариот ДНК представлена в виде длинной самодостаточной молекулы. Кроме того, более короткие, также самодостаточные молекулы ДНК, так называемые плазмиды, могут присутствовать в различном количестве. Их можно амплифицировать независимо от основной ДНК и передать другим прокариотическим клеткам (конъюгация), даже через границы между видами. Как правило, они содержат всего несколько генов, которые, например, опосредуют устойчивость к антибиотикам.

Геномы прокариот обычно намного меньше геномов эукариот. Они содержат относительно небольшие некодирующие части (5-20%), а также лишь несколько интронов или их отсутствие.

Органеллы

Геномы митохондрий, пластид и других типов гидрогеносом организованы подобно прокариотам. Согласно эндосимбиотической теории, эти органеллы раньше существовали как свободноживущие прокариоты. Эти «митогеномы» и «пластомы» также содержат небольшую часть генов, необходимых для их собственной функции. Вот почему эти органеллы называют «полуавтономными».

Вирусы

Вирусные геномы очень малы, поскольку содержат всего несколько белков. Генетическая информация сильно сжата, потому что разные гены перекрываются. Некоторые секции могут одновременно функционировать как гены в разных направлениях чтения последовательностей. Вирусный геном (также известный как виром) может

  • состоят из ДНК или РНК,
  • это может быть одно- или двухцепочечный,
  • быть линейным или круговым замкнутым, и
  • сегментированы на несколько частей (составные части) или несегментированы (составные части)

Ретровирусы – это особенность. Их геном РНК можно «транслировать» в ДНК путем обратной транскрипции и интегрировать в геном хозяина. Свойства геномов вирусов являются важными критериями их классификации.

Некоторые вирусы и особенно вирофаги (вирусы, атакующие другие вирусы) имеют мобильные генетические элементы (транспозоны, трансповироны, полинтоны). В целом их совокупность также называется мобиломой.

Вироиды

Геномная РНК вироидов короткая. Он охватывает от 241 до 401 нуклеотида и содержит множество комплементарных участков, которые образуют двухцепочечные вторичные структуры. Вироиды не имеют дополнительной оболочки и в 80–100 раз меньше самых маленьких вирусов. Они размножаются в живых клетках высших растений.

Размеры генома

Размер генома – это количество ДНК, присутствующей в геноме. У эукариот эта информация обычно относится к гаплоидному набору хромосом, который также называется C-значением. Дается либо количество присутствующих пар оснований (п.о.), либо масса ДНК в единице пг (пикограмма).

Один пг двухцепочечной ДНК состоит примерно из 0,978-109 п.н., то есть почти из одного миллиарда пар оснований. Разные организмы имеют разное соотношение пикограмм к парам оснований Тем не менее, эти два устройства не всегда легко сравнивать.

С легкостью секвенирование генома В последнее десятилетие более распространено измерение размера генома в парах оснований. Для суммирования 1000 пар оснований обычно используется термин «килобазовые пары» (kbp или kb). Для миллиона пар оснований мы используем «пары мегабаз» (Mbp или Mb).

В 1972 г. эфиопская двоякодышащая рыба ( Протоптер эфиопический ) часто называют позвоночным с самым большим геномом около 133 пг . В 2014 году рекорд побил саранча обыкновенная ( Locusta migratoria ) с участием 6.3 Гбит . В 2018 г. 32 миллиарда пар оснований были обнаружены у мексиканского аксолотля ( Амбистома мексиканская ).

Мексиканский аксолотль ( Амбистома мексиканская ) имеет самую последнюю запись о самом большом геноме у позвоночных – около 32 Гбит / с. Источник: Emőke Dénes / CC BY-SA 4.0 .

Эндосимбионт листовой блохи Карсонелла руддии имеет самый маленький бактериальный геном, определенный количественно в 2006 г. . Его кольцевая молекула ДНК содержит всего около 160 000 пар оснований, которые содержат всю информацию, необходимую для жизни.

Длина ДНК одной человеческой клетки составляет около 1,80 м в собранном виде. Теоретически базовая пара имеет информационное содержание 2 бита, потому что она может принимать 4 состояния (A / T / G / C). При примерно 3,27 миллиарда базовых пар его максимальное информационное содержание составит 6,54 миллиарда бит или 780 МБ.

Фактическое информационное наполнение предположительно ниже, поскольку большие части ДНК содержат некодирующие последовательности с частичными регуляторными функциями. Согласно результаты проекта “Геном человека” в 2003 г. 99,99% генома человека содержат гены.

Отсутствует корреляция между размером генома и сложностью организма, или «парадокс C-ценности». Например, у хвостатых животных геномы больше, чем у рептилий, птиц и млекопитающих. Двоякодышащие и хрящевые рыбы имеют больший геном, чем настоящая костистая рыба. Однако у цветковых растений или простейших размер генома значительно варьируется.

Наибольшее количество ДНК содержится у простых эукариот, таких как амебы и первобытные папоротники. У этих организмов около одного триллиона пар оснований. Их геном также содержит отдельные гены в виде тысячных копий и длинных участков, не кодирующих белки.