Характеристика полностью расшифрованных геномов ряда про- и эукариотических организмов

Определения и обозначения

Геном — совокупность наследственного материала организма. В него входят не только гены, но и некодирующие последовательности ДНК. Это понятие нужно, чтобы сравнивать весь наследственный материал, а не только участки, кодирующие белки.

Секвенирование генома — установление последовательности нуклеотидов ДНК. Если геном полностью расшифрован, для него определён порядок всех или почти всех нуклеотидов, а не только отдельных генов. Такая последовательность служит основой для дальнейшего поиска и изучения генетической информации.

Размер генома — количество нуклеотидов или пар нуклеотидов в наследственном материале. Его выражают, например, в миллионах пар нуклеотидов — Мб или в миллиардах — Гб. Этот показатель важен для сравнения организмов, но сам по себе не говорит, сколько у них генов и насколько они сложны.

Некодирующая ДНК — участки ДНК, которые не кодируют белки. Среди них есть регуляторные последовательности, управляющие работой генов, и повторяющиеся участки. Поэтому при анализе генома нельзя считать бесполезной всю ДНК, не образующую белки.

Как это устроено

Сопоставление геномов прокариот и эукариот показывает различия в упаковке наследственного материала. У бактерий клетка не имеет оформленного ядра, а геном обычно представлен одной кольцевой хромосомой и небольшим числом дополнительных молекул ДНК. У эукариот ДНК разделена между линейными хромосомами и связана с белками, поэтому её организация сложнее, а промежутки между генами часто больше.

Размер генома и число генов у разных организмов меняются не пропорционально. Например, геном дрожжей больше бактериального, но увеличение размера связано не только с появлением новых генов. У растения и человека значительно больше некодирующих и повторяющихся последовательностей, поэтому большой объём ДНК не означает такого же увеличения числа белков или уровня сложности.

Для полноценной характеристики генома используют несколько показателей. Размер показывает общий объём ДНК, число генов — сколько участков связано с наследственной информацией, а доля некодирующих последовательностей помогает понять, как распределена эта ДНК. Дополнительно учитывают число и форму хромосом, наличие повторов, интронов и особенности расположения генов.

У эукариот многие гены состоят из экзонов и интронов: экзоны сохраняются в зрелой информационной РНК, а интроны обычно удаляются при её созревании. Поэтому кодирующие части гена могут быть разделены некодирующими вставками, а сами гены — находиться среди больших участков другой ДНК. У прокариот гены чаще расположены плотнее, иногда объединены в опероны и разделены короткими промежутками, что позволяет экономнее использовать геном.

Расшифровка геномов помогает находить гены, сравнивать одинаковые участки у разных видов и устанавливать их возможное родство. По сходству последовательностей можно предположить общее происхождение генов или проследить изменения, возникшие в ходе эволюции. Но одна последовательность не объясняет полностью строение и жизнедеятельность организма: нужно изучать работу генов, взаимодействие клеток и влияние среды.

Сравнение полностью расшифрованных геномов прокариот и эукариот

В таблице приведены округлённые данные, поэтому они предназначены прежде всего для сопоставления порядков величин. Число генов может зависеть от того, считают ли только белок-кодирующие гены или также гены функциональных РНК. Сначала сравнивайте одинаковые показатели и единицы измерения, а затем делайте общий вывод об организации генома.

Разбор задач

Задача 1

По данным таблицы определите, у какого из приведённых организмов геном больше: у бактерии или дрожжей. Укажите, какие данные использовали. Нужно сравнить именно размер генома, а не число генов, потому что это разные характеристики.

1. Находим в таблице строку бактерии Escherichia coli и записываем её размер: примерно 4,6 Мб.
2. Находим строку дрожжей Saccharomyces cerevisiae: их геном составляет примерно 12,1 Мб.
3. Сравниваем значения в одинаковых единицах: 12,1 больше 4,6.

Ответ: геном дрожжей больше. Для вывода использовали показатель «размер генома», а не количество генов.

Задача 2

У двух организмов размер генома различается, но число генов близко. Сформулируйте вывод о возможной доле некодирующих последовательностей и объясните, почему её нельзя точно определить без дополнительных данных. Здесь нужно отделить общий объём ДНК от количества участков, кодирующих белки.

1. Если число генов близко, то нельзя объяснить разницу размеров только дополнительными генами.
2. Следовательно, у организма с большим геномом может быть больше некодирующих, повторяющихся или регуляторных участков.
3. Точную долю вычислить нельзя, поскольку нужны данные о длине кодирующих участков и о том, какие последовательности относят к некодирующим.

Ответ: больший геном, вероятно, содержит большую долю некодирующей ДНК, но для точного вывода необходимы дополнительные сведения о составе и границах всех участков.

Задача 3

Сопоставьте геномы прокариота и эукариота по размеру, числу генов и организации. Объясните, почему нельзя заключить, что организм с большим геномом обязательно сложнее. Сравнение должно учитывать не один показатель, а весь набор характеристик.

1. У прокариота геном обычно меньше, компактнее и чаще представлен одной кольцевой хромосомой; кодирующие участки расположены плотнее.
2. У эукариота обычно больше ДНК, несколько линейных хромосом, интроны, повторы и длинные некодирующие участки.
3. Больший объём может возникать за счёт некодирующей ДНК, поэтому он не равен числу генов.
4. Сложность зависит также от регуляции генов, взаимодействия клеток и способов использования генетической информации.

Ответ: эукариотический геном обычно крупнее и сложнее организован, но размер генома не доказывает, что организм в целом сложнее прокариота.

Типичные ошибки

Большой геном — больше генов и сложнее организм. Ошибка возникает, если общий объём ДНК принимают за объём кодирующей информации. Проверяйте себя: отдельно сравнивайте размер, число генов и долю некодирующих участков.

Геном — это только совокупность генов. Так думают, потому что именно гены обычно связывают с наследственностью, но геном включает всю ДНК. Проверка проста: спросите, учтены ли в определении регуляторные и повторяющиеся последовательности.

Показатели можно сравнивать без проверки единиц. Числа в Мб и Гб различаются в тысячи раз, а данные о белок-кодирующих генах нельзя без уточнения сопоставлять с общим числом генов. Перед выводом проверьте единицы и содержание каждого показателя.

Полная расшифровка означает полное понимание генома. Секвенирование устанавливает порядок нуклеотидов, но функции многих участков требуют отдельного исследования. Уточняйте, идёт ли речь о прочтении последовательности или о её биологической интерпретации.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении ДНК, генах и хромосомах. Также необходимо различать прокариотическую и эукариотическую клетки, поскольку их наследственный материал организован по-разному.

Сведения о геномах помогают изучать наследственность, мутации и регуляцию работы генов. Изменение последовательности может повлиять на белок или управление его синтезом.

Сравнение геномов используют в эволюционной биологии и систематике для изучения родства видов. В биотехнологии геномные данные помогают выбирать полезные гены и изменять свойства организмов.

Что запомнить

• Геном включает кодирующие и некодирующие последовательности.
• Полностью расшифрованный геном — это установленная последовательность его нуклеотидов.
• Размер генома не равен числу генов.
• Размер генома не является прямым показателем сложности организма.
• Геномы прокариот обычно организованы компактнее, чем геномы эукариот.
• Для сравнения геномов нужно учитывать несколько характеристик.