- Podstawowe informacje o genomie
- Badania nad genomem
- Genomy wirusów
- Genomy prokariotyczne
- Genomy eukariotyczne
- Genomy organellarne
Podstawowe informacje o genomie
Genom stanowi kompletny materiał genetyczny dla danego organizmu (gatunku). Z wyjątkiem klonów nie spotyka się identycznych organizmów, tj. organizmów o tym samym genomie.Pojedyncza komórka (lub organizm) może posiadać pojedynczy kompletny materiał genetyczny i wtedy posiada jeden genom co czyni do haploidem. Może także posiadać dwa kompletne zestawy materiału genetycznego, czyli dwa genomy – dwie kopie każdego genu) co czyni go diploidem. Ploidalność może być rozpatrywana jako wielokrotność występującej w przyrodzie liczbie kompletnych zestawów materiału genetycznego dla komórki czy organizmu.
Brak ostrej granicy pojęcia genomu skutkuje nieprecyzyjnym formułowaniem definicji genomu, który odnoszony jest zarówno do komórki, gatunku, populacji, osobnika, materiału genetycznego niezwiązanego z chromosomami, DNA obcego pochodzenia czy innych elementów genetycznych.
Chociaż wydawać się może, że istnieje zależność pomiędzy wielkością i złożonością organizmu a wielkością genomu to w rzeczywistości zależność ta istnieje tylko do pewnego stopnia. Na przykład prostsze eukarioty jak grzyby posiadają geny położone bliżej siebie w genomie, a więc są silnie upakowane. Natomiast genom roślin kwiatowych i kręgowców nie jest tak mocno upakowany.
Wizualizacja genomu za pomocą skrótów nazw zasad azotowych. Źródło: shutterstock
Badania nad genomem
Pierwszy raz słowo genom zostało użyte w 1920 roku przez botanika Hansa Winklera i w założeniu oznaczało haploidalny zespół chromosomów. Ponad 50 lat później zespół Waltera Fiersa poznał pełny genom RNA bakteriofaga MS2 (długość genomu wynosząca 3569 nukleotydów). Jednak dopiero w 1996 zsekwencjonowano pierwszy genom organizmu eukariotycznego jakim były drożdże Saccharomyces cerevisiae (12 mln par zasad w 16 chromosomach). Dwa lata później poznano genom organizmu wielokomórkowego, tj. nicienia Caenorhabditis elegans (97 mln par zasad). A w 2003 zsekwencjonowano genom człowieka (3,079 miliardów par zasad). Natomiast 7 lat później zsekwencjonowano genom neandertalczyka.Chociaż zsekwencjonowanie pierwszego genomu człowieka trwało 10 lat i jego koszt wyniósł setki milionów dolarów to z roku na rok cena ta spada i ostatecznie dąży do osiągnięcia kwoty rzędu 1000 dolarów. Postęp nauki w tym względzie przyśpiesza ten proces, a liczba zsekwencjonowanych genomów rośnie z roku na rok. Do roku 2015 skala tego procesu mierzona była w setkach zsekwencjonowanych genomów. Stawarza to możliwości dostosowania terapii medycznych do indywidualnych predyspozycji pacjenta. Ponadto pozwala wskazać podatność na choroby, przewidzieć reakcje na środki farmakologiczne. Dzięki znajomości genomu pacjenta można ustalić optymalną dietę, a także wykorzystać tą wiedzę w terapii genowej oraz przy projektowaniu leków.
Badania genomów prowadzą do wyzwań natury prawnej, etycznej i politycznej. Jednak dostęp do sekwencji genomów różnych organizmów rozpoczął wiele nowych nurtów badawczych w takich dziedzinach jak farmakologia, ewolucja czy mikrobiologia. Rozwijają także możliwości szybszych i tańszych metod, jak np. zamiast sekwencjonować cały genom sekwencjonuje się wyłącznie jednostki kodujące.
Genomy wirusów
Genom wirusowy może się składać z cząsteczki DNA lub RNA. W przypadku wirusów roślinnych jest to najczęściej RNA. Natomiast u pozostałych wirusów jak na przykład u bakteriofagów mogą genomu może być w postaci cząsteczki RNA lub DNA. A jej struktura może być jednoniciowa lub dwuniciowa, liniowa lub kolista. Niektóre wirusy RNA posiadają podzielone genomy co oznacza, że ich geny są zlokalizowane na kilku różnych cząsteczkach RNA. Przy czym geny te mogą zachodzić na siebie czyli wykazywać wspólne sekwencje nukleotydowe. Wirusy eukariotyczne mogą posiadać genom w postaci cząsteczki RNA lub DNA. A jej kształt może być liniowy lub kolisty, jednoniciowy albo dwuniciowy (lub częściowo dwuniciowy) oraz podzielony lub nie.Wirusy w celu replikacji i ekspresji genomów korzystają z materiału genetycznego gospodarza. Niektóre z nich kodują własną polimerazę DNA i RNA, lecz są też takie, które wykorzystują polimerazy gospodarza. Dlatego mają zdolność do wpasowywania się do genomu gospodarza, co jest im niezbędne do przeżycia.
Schemat genomu wirusowego, bakteryjnego oraz genomu w mitochondrium. Źródło: shutterstock
Genomy prokariotyczne
Genom prokariotyczny stanowi kolista cząsteczka DNA, która nosi nazwę chromosomu bakteryjnego. Chromosom bakteryjny poprzez enzymy (topoizomerazy) upakowany jest w komórce jako obiekt skręcony superhelikalnie. U prokariontów nie występuje jądro stąd materiał genetyczny zlokalizowany jest w obszarze cytoplazmy noszącym nazwę nukleoidu. Poza kilkoma genami występującymi poza chromosomem bakteryjnym wszystkie są w nim zawarte. Te kilka genów mogących znajdować się poza chromosomem bakteryjnym noszą nazwę plazmidów. Są to osobne małe koliste cząsteczki DNA, które replikują się niezależnie od chromosomu bakteryjnego. Przy czym nie są one niezbędne dla wzrostu bakterii.Genom prokariotyczny składa się w ok. 90% z genów, natomiast pozostałą część stanowi DNA międzygenowy. Te 10% genomu stanowią odcinki oddzielające poszczególne geny w genomie (jednak pomiędzy niektórymi genami praktycznie nie notuje się odstępu), a także może wchodzić w interakcję z białkami uczestniczącymi w upakowaniu DNA oraz stanowi miejsce inicjacji replikacji chromosomu bakteryjnego. Ponadto w genomie prokariotycznym mogą występować odcinki DNA posiadające zdolność do przemieszczania się w genomie, stanowiąc tzw. elementy transpozycyjne (transpozony). W genomie tym występują także operony co jest cechą charakterystyczną dla prokariontów.
Chociaż u prokariontów regułą jest występowanie genomu kolistego to niektóre bakterie jak np. Borrelia burgdorferi posiadają genom liniowy. A jeszcze inne genomy wieloczęściowe (np. Vibrio cholerae), które są podzielone na dwie lub więcej cząsteczek DNA. Cecha ta przysparzać może trudności w odróżnienie właściwego genomu od plazmidu.
Genomy eukariotyczne
Organizmy eukariotyczne posiadają genom jądrowy w postaci liniowych cząsteczek DNA upakowanych w chromosomy. Zauważalną zmiennością na poziomie struktury genomu jest wyłącznie liczba chromosomów, która może być różna w zależności od gatunku.W przypadku człowieka tylko ok. 1,5% całego jego genomu koduje sekwencje aminokwasów. Pozostałą część stanowi niekodujący DNA tzw. śmieciowy DNA, w skład którego wchodzi ok. 62% regionów międzygenowych, natomiast resztę stanowią sekwencje obejmujące pseudogeny, introny i sekwencje regulatorowe.
Introny stanowią sekwencje DNA, które nie zawierają kodującej informacji genetycznej i służą do przerywania sekwencji kodujących aminokwasy czyli egzonów. Liczba intronów jest zróżnicowana w zależności od genów. Ich długość również jest zróżnicowana przy czym są zwykle dłuższe od egzonów i stanowią tym samym większość sekwencji genu. Istotnym jest to, że informacja genetyczna w genach jest użyteczna wyłącznie w przypadku usunięcia ich z transkryptu i połączenia egzonów w ciągłą cząsteczkę RNA (ma to miejsce podczas splicingu). Sekwencje DNA podobne do genów lecz w wyniku mutacji nie kodują już białek (nie są użyteczne) nazywa się pseudogenami.
Genom w strukturze DNA upakowany jest w chromosomy. Źródło: shutterstock
Genomy organellarne
Do genomów organellarnych należą genomy mitochondrialne i chloroplastowe, które są niezależne od genomu jądrowego i jednocześnie od niego odrębne. Genomy mitochondrialne występują u prawie wszystkich organizmów eukariotycznych, natomiast genomy chloroplastowe u wszystkich organizmów eukariotycznych fotosyntetyzujących. Genomy te są cząsteczkami DNA, o przeważnie kolistej strukturze. Pochodzenie tych genomów (całych organelli) tłumaczy powszechnie uznana teoria endosymbiozy.Genom chloroplastowy to cząsteczka kulista, która pod względem struktury, rozmiaru jak i genów ma charakter konserwatywny. Podobnie do genomu jądrowego zawiera introny, sekwencje kodujące i regiony międzygenowe. Jednak u niektórych gatunków genom ten składa się dwóch lub nawet większej liczby kolistych cząsteczek DNA. Przy czym liczba genów w genomie to 120, w skład których wchodzi kilka genów kodujących tRNA, przeważnie cztery kopie genów kodujących rRNA, geny kodujące polimerazy RNA (co najmniej trzy podjednostki) oraz wiele innych genów.
Genom mitochondrialny koduje znacznie mniej genów od genomu jądrowego i w związku z tym też jest mniejszy. Wśród genów kodowanych przez genom mitochondrialny są niektóre białka łańcucha oddechowego, rRNA, tRNA, białka uczestniczące w transkrypcji, translacji i transporcie białek w mitochondium oraz m.in. także białka rybosomalne.
W komórce eukariotycznej znajduje się genom upakowany w jądrze komórkowym oraz genom organellarny. Źródło: shutterstock
Bibliografia
- Brown TA. 2009. ; “Genomy. ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.;
- Dewey FE., Grove ME., Pan C. 2014. ; “Clinical Interpretation and Implications of Whole-Genome Sequencing. ”; Journal of the American Medical Association 311 (10): 1035–1044.;
- Fletcher H., Hickey I., Winter P. 2010. ; “Genetyka. Krótkie wykłady. ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.;
- Jiao Y., Guo H. 2014. ; “Prehistory of the Angiosperms: Characterization of the Ancient Genomes. In: Paterson A. (ed.). ”; Genomes of Herbaceous Land Plants. Academic Press.;
- Lodish H., Berk A., Zipursky SL., Matsudaira P., Baltimore D., Darnell J. 2000. ; “Molecular Cell Biology, 4th edition. ”; W. H. Freeman, New York.;
- Rodwell VW., Bender DA., Botham KM., Kennelly PJ., Weil AP. 2018. ; “Biochemia Harpera. ”; PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa.;
- Schlegel HG. 2005. ; “Mikrobiologia ogólna. ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.;
- Stencel A., Crespi B. 2013. ; “What is a genome?”; Molecular Ecology 22 (13): 3437–3443.;
- Stryer L., Berg JM., Tymoczko JL. 2009. ; “Biochemia. ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.;
- promil
