У этого термина существуют и другие значения, см. Геном (значения).
Гено́м — совокупность наследственного материала, заключённого в клетке организма[1]. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма. Большинство геномов, в том числе геном человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построено из ДНК, однако некоторые вирусы имеют геномы из РНК[2].
Существует также и другое определение термина «геном», в котором под геномом понимают совокупность генетического материала гаплоидного набора хромосом данного вида[3][4]. Когда говорят о размерах генома эукариот, то подразумевают именно это определение генома, то есть размер эукариотического генома измеряют в парах нуклеотидов ДНК или пикограммах ДНК на гаплоидный геном[5].
У человека (Homo sapiens) наследственный материал соматической клетки представлен 23 парами хромосом (22 пары аутосом и пара половых хромосом), находящихся в ядре, а также клетка обладает множеством копий митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомы, половые хромосомы Х и Y, митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований[1].
Термин «геном» был предложен Гансом Винклером в 1920 году в работе, посвящённой межвидовым амфидиплоидным растительным гибридам, для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. В Оксфордском энциклопедическом словаре указано, что термин образован слиянием слов «ген» и «хромосома»[6]. Однако Джошуа Ледерберг и Алекса T. МакКрэй считают, что ботаник Г. Винклер должен был быть знаком с ботаническими терминами «ризом», «таллом», «трахеом» и т. д. Все эти термины возникли до 20-х годов XX века, и суффикс «-ом» в них означает объединение частей в целое, например, «ризом» означает всю корневую систему растения. Таким образом, «геном» можно понимать как объединение генов в целое[7].
До недавнего времени термин «геном» использовался в двух смыслах. У эукариот геном соответствовал гаплоидному набору хромосом с локализованными в них генами. В генетике бактерий и вирусов термин «геном» употреблялся для обозначения совокупности наследственных факторов одной хромосомы или группы сцепления прокариот. Позже в генетике бактерий семантика термина «геном» претерпела дрейф в сторону обозначения всей наследственной конституции клетки, включая самые разные внехромосомные факультативные элементы. Постепенно в этом смысле термин «геном» стали употреблять и в генетике эукариот[8].
Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома, в отличие от генотипа, является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось[9]. В настоящее время под «геномом» понимают совокупность наследственного материала отдельного представителя вида, примером может служить международный проект 1000 геномов, целью которого является секвенирование геномов 1000 человек[10][11].
Размер и структура генома
Геномы живых организмов — от вирусов до животных — различаются по размеру на шесть порядков: от нескольких тысяч пар оснований до нескольких миллиардов пар оснований. Если исключить вирусы, то для клеточных организмов ширина диапазона составит четыре порядка. По количеству генов диапазон значительно ýже и составляет четыре порядка с нижним пределом 2-3 гена у самых простых вирусов и с верхним значением около 40 тысяч генов у некоторых животных. Если исключить из рассмотрения вирусы и бактерии, которые ведут паразитический или симбиотический образ жизни, то диапазон изменчивости геномов по числу генов становится совсем узким, составляя немногим более одного порядка[12].
По соотношению размера генома и числа генов геномы могут быть разделены на два чётко выделенных класса:
Небольшие компактные геномы размером, как правило, не более 10 млн пар оснований, со строгим соответствием между размером генома и числом генов. Такими геномами обладают все вирусы и прокариоты. У этих организмов плотность генов составляет от 0,5 до 2 генов на тысячу пар оснований, а между генами имеются очень короткие участки, занимающие 10-15 % длины генома. Межгенные участки в таких геномах состоят главным образом из регуляторных элементов. Помимо вирусов и прокариот, к этому классу могут быть отнесены и геномы большинства одноклеточных эукариот, хотя их геномы демонстрируют несколько меньшую зависимость между размером генома и числом генов, а размер генома может достигать 20 млн пар оснований.
Обширные геномы размером более 100 млн пар оснований, у которых нет чёткой взаимосвязи между размером генома и числом генов. К этому классу относятся большие геномы многоклеточных эукариот и некоторых одноклеточных эукариот. В отличие от геномов первой группы, большинство нуклеотидов в геномах этого класса относится к последовательностям, которые не кодируют ни белков, ни РНК[13][14].
Прокариоты
Геном подавляющего числа прокариот представлен одиночной хромосомой, которая является кольцевой молекулой ДНК. Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды — также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации[2]. У ряда бактерий, относящихся к различным филогенетическим группам, обнаружено линейное строение как хромосомы, так и плазмид. Например, геном спирохетыBorrelia burgdorferi, вызывающей болезнь Лайма, состоит из линейной хромосомы и нескольких плазмид, часть из которых имеет также линейное строение[15].
Геномы большинства прокариот маленькие и компактные, гены плотно упакованы и между ними находится минимальное количество регуляторной ДНК. Геномы почти всех эубактерий и архей содержат от 106 до 107 пар нуклеотидов и кодируют 1000-4000 генов[16]. Многие гены у прокариот организованы в совместно транскрибируемые группы — опероны[14].
Самыми маленькими геномами у прокариот обладают внутриклеточные симбионты и паразиты, такие как Hodgkinia cicadicola (144 Кб), Carsonella rudii (180 Кб)[17] или Mycoplasma genitalium (580 Кб)[18]. Самым большим прокариотическим геномом является геном обитающей в почве бактерии Sorangium cellulosum, размер которого составляет около 13 Мб[19].
Эукариоты
Практически вся генетическая информация у эукариот содержится в линейно-организованных хромосомах, находящихся в клеточном ядре. Внутриклеточные органеллы — митохондрии и хлоропласты — имеют свой собственный генетический материал. Геномы митохондрий и пластид организованы как прокариотические геномы.
Вирусы
Вирусные геномы очень малы. Например, геном вируса гепатита B представляет собой одну двуцепочечную кольцевую ДНК длиной около 3200 нуклеотидов[20].
Размер некоторых геномов с известной последовательностью
Расшифрован в 1978 году.[23] Миллионы людей были инфицированы вирусом SV40, так как в 1960-х годах он содержался в вакцине против вируса полиомиелита[24]
Возможно наибольший из известных геномов среди всех живых организмов[39] Точность измерений размера генома оспаривается[40] Измерение признано ошибочным[41].
Большая часть расшифрована одновременно Проектом Генома Человека и Celera GenomicsКрейга Вентера в 2000 году. Окончательной датой расшифровки считают 2003 год.[61][62] Кодирующие последовательности составляют лишь 1-3% генома человека.
↑ 12Браун Т. А.Геномы = Genomes / /Пер. с англ. — М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2011. — 944 с. — ISBN 978-5-4344-0002-2. Архивировано 17 июля 2019 года.
↑Le Page, Michael (2004-06-10). "Does SV40 contamination matter?". New Scientist. Архивировано24 апреля 2015. Дата обращения: 29 марта 2010. More than 40 years after SV40 was first discovered, in polio vaccine, these crucial questions remain fiercely controversial
↑Challacombe, Jean F.; Eichorst, Stephanie A.; Hauser, Loren; Land, Miriam; Xie, Gary; Kuske, Cheryl R.; Steinke, Dirk. Biological Consequences of Ancient Gene Acquisition and Duplication in the Large Genome of Candidatus Solibacter usitatus Ellin6076 (англ.) // PLoS ONE : journal / Steinke, Dirk. — 2011. — 15 September (vol. 6, no. 9). — P. e24882. — doi:10.1371/journal.pone.0024882. — Bibcode: 2011PLoSO...624882C. — PMID21949776. — PMC3174227.
↑Rocap, G.; Larimer, F. W.; Lamerdin, J.; Malfatti, S.; Chain, P.; Ahlgren, N. A.; Arellano, A.; Coleman, M.; Hauser, L.; Hess, W. R.; Johnson, Z. I.; Land, M.; Lindell, D.; Post, A. F.; Regala, W.; Shah, M.; Shaw, S. L.; Steglich, C.; Sullivan, M. B.; Ting, C. S.; Tolonen, A.; Webb, E. A.; Zinser, E. R.; Chisholm, S. W. Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation (англ.) // Nature : journal. — 2003. — Vol. 424, no. 6952. — P. 1042—1047. — doi:10.1038/nature01947. — Bibcode: 2003Natur.424.1042R. — PMID12917642.
↑Dufresne, A.; Salanoubat, M.; Partensky, F.; Artiguenave, F.; Axmann, I. M.; Barbe, V.; Duprat, S.; Galperin, M. Y.; Koonin, E. V.; Le Gall, F.; Makarova, K. S.; Ostrowski, M.; Oztas, S.; Robert, C.; Rogozin, I. B.; Scanlan, D. J.; De Marsac, N. T.; Weissenbach, J.; Wincker, P.; Wolf, Y. I.; Hess, W. R. Genome sequence of the cyanobacterium Prochlorococcus marinus SS120, a nearly minimal oxyphototrophic genome (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2003. — Vol. 100, no. 17. — P. 10020—10025. — doi:10.1073/pnas.1733211100. — Bibcode: 2003PNAS..10010020D. — PMID12917486. — PMC187748.
↑J. C.; Meeks; Elhai, J; Thiel, T; Potts, M; Larimer, F; Lamerdin, J; Predki, P; Atlas, R. An overview of the genome of Nostoc punctiforme, a multicellular, symbiotic cyanobacterium (англ.) // Drugs[англ.] : journal. — Adis International, 2001. — Vol. 70, no. 1. — P. 85—106. — doi:10.1023/A:1013840025518. — PMID16228364.
↑ScienceShot: Biggest Genome EverАрхивировано 11 октября 2010 года., comments: «The measurement for Amoeba dubia and other protozoa which have been reported to have very large genomes were made in the 1960s using a rough biochemical approach which is now considered to be an unreliable method for accurate genome size determinations.»
↑Anderson, S.; Bankier, A. T.; Barrell, B. G.; de Bruijn, M. H. L.; Coulson, A. R.; Drouin, J.; Eperon, I. C.; Nierlich, D. P.; Roe, B. A.; Sanger, F.; Schreier, P. H.; Smith, A. J. H.; Staden, R.; Young, I. G. Sequence and organization of the human mitochondrial genome (англ.) // Nature : journal. — 1981. — Vol. 290, no. 5806. — P. 457—465. — doi:10.1038/290457a0. — Bibcode: 1981Natur.290..457A. — PMID7219534.
↑Fleischmann A; Michael TP; Rivadavia F; Sousa A; Wang W; Temsch EM; Greilhuber J; Müller KF; Heubl G. Evolution of genome size and chromosome number in the carnivorous plant genus Genlisea (Lentibulariaceae), with a new estimate of the minimum genome size in angiosperms (англ.) // Annals of Botany : journal. — 2014. — Vol. 114, no. 8. — P. 1651—1663. — doi:10.1093/aob/mcu189. — PMID25274549. — PMC4649684.
↑Greilhuber J; Borsch T; Müller K; Worberg A; Porembski S; Barthlott W. Smallest angiosperm genomes found in Lentibulariaceae, with chromosomes of bacterial size (англ.) // Plant Biology : journal. — 2006. — Vol. 8, no. 6. — P. 770—777. — doi:10.1055/s-2006-924101. — PMID17203433.
↑Tuskan G. A., Difazio S., Jansson S., Bohlmann J., Grigoriev I., Hellsten U., Putnam N., Ralph S., Rombauts S., Salamov A., Schein J., Sterck L., Aerts A., Bhalerao R. R., Bhalerao R. P., Blaudez D., Boerjan W., Brun A., Brunner A., Busov V., Campbell M., Carlson J., Chalot M., Chapman J., Chen G. L., Cooper D., Coutinho P. M., Couturier J., Covert S., Cronk Q., Cunningham R., Davis J., Degroeve S., Déjardin A., Depamphilis C., Detter J., Dirks B., Dubchak I., Duplessis S., Ehlting J., Ellis B., Gendler K., Goodstein D., Gribskov M., Grimwood J., Groover A., Gunter L., Hamberger B., Heinze B., Helariutta Y., Henrissat B., Holligan D., Holt R., Huang W., Islam-Faridi N., Jones S., Jones-Rhoades M., Jorgensen R., Joshi C., Kangasjärvi J., Karlsson J., Kelleher C., Kirkpatrick R., Kirst M., Kohler A., Kalluri U., Larimer F., Leebens-Mack J., Leplé J. C., Locascio P., Lou Y., Lucas S., Martin F., Montanini B., Napoli C., Nelson D. R., Nelson C., Nieminen K., Nilsson O., Pereda V., Peter G., Philippe R., Pilate G., Poliakov A., Razumovskaya J., Richardson P., Rinaldi C., Ritland K., Rouzé P., Ryaboy D., Schmutz J., Schrader J., Segerman B., Shin H., Siddiqui A., Sterky F., Terry A., Tsai C. J., Uberbacher E., Unneberg P., Vahala J., Wall K., Wessler S., Yang G., Yin T., Douglas C., Marra M., Sandberg G., Van de Peer Y., Rokhsar D. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa (Torr. & Gray) (англ.) // Science : journal. — 2006. — 15 September (vol. 313, no. 5793). — P. 1596—1604. — doi:10.1126/science.1128691. — Bibcode: 2006Sci...313.1596T. — PMID16973872.
↑Galagan J. E., Calvo S. E., Cuomo C., Ma L. J., Wortman J. R., Batzoglou S., Lee S. I., Baştürkmen M., Spevak C. C., Clutterbuck J., Kapitonov V., Jurka J., Scazzocchio C., Farman M., Butler J., Purcell S., Harris S., Braus G. H., Draht O., Busch S., D'Enfert C., Bouchier C., Goldman G. H., Bell-Pedersen D., Griffiths-Jones S., Doonan J. H., Yu J., Vienken K., Pain A., Freitag M., Selker E. U., Archer D. B., Peñalva M. A., Oakley B. R., Momany M., Tanaka T., Kumagai T., Asai K., Machida M., Nierman W. C., Denning D. W., Caddick M., Hynes M., Paoletti M., Fischer R., Miller B., Dyer P., Sachs M. S., Osmani S. A., Birren B. W. Sequencing of Aspergillus nidulans and comparative analysis with A. fumigatus and A. oryzae (англ.) // Nature : journal. — 2005. — Vol. 438, no. 7071. — P. 1105—1115. — doi:10.1038/nature04341. — Bibcode: 2005Natur.438.1105G. — PMID16372000.
↑Honeybee Genome Sequencing Consortium; Weinstock; Robinson; Gibbs; Weinstock; Weinstock; Robinson; Worley; Evans; Maleszka; Robertson; Weaver; Beye; Bork; Elsik; Evans; Hartfelder; Hunt; Robertson; Robinson; Maleszka; Weinstock; Worley; Zdobnov; Hartfelder; Amdam; Bitondi; Collins; Cristino; Evans. Insights into social insects from the genome of the honeybee Apis mellifera (англ.) // Nature : journal. — 2006. — October (vol. 443, no. 7114). — P. 931—949. — doi:10.1038/nature05260. — Bibcode: 2006Natur.443..931T. — PMID17073008. — PMC2048586.
↑The International Silkworm Genome. The genome of a lepidopteran model insect, the silkworm Bombyx mori (англ.) // Insect Biochemistry and Molecular Biology : journal. — 2008. — Vol. 38, no. 12. — P. 1036—1045. — doi:10.1016/j.ibmb.2008.11.004. — PMID19121390.
↑Venter, J. C.[англ.]; Adams, M.; Myers, E.; Li, P.; Mural, R.; Sutton, G.; Smith, H.; Yandell, M.; Evans, C.; Holt, R. A.; Gocayne, J. D.; Amanatides, P.; Ballew, R. M.; Huson, D. H.; Wortman, J. R.; Zhang, Q.; Kodira, C. D.; Zheng, X. H.; Chen, L.; Skupski, M.; Subramanian, G.; Thomas, P. D.; Zhang, J.; Gabor Miklos, G. L.; Nelson, C.; Broder, S.; Clark, A. G.; Nadeau, J.; McKusick, V. A.; Zinder, N. The Sequence of the Human Genome (англ.) // Science. — 2001. — Vol. 291, no. 5507. — P. 1304—1351. — doi:10.1126/science.1058040. — Bibcode: 2001Sci...291.1304V. — PMID11181995.
Молекулярная биология клетки: в 3-х томах / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др.. — М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — Т. I. — С. 1—68. — 808 с. — ISBN 978-5-4344-0112-8.
Кунин Е. В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции/Пер. с англ = The Logics of Chance. The Nature and Origin of Biological Evolution. — М.: ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. — 527 с. — ISBN 978-5-227-04982-7.
Томилин Н. В. Генетическая стабильность клетки / Отв. ред. В. Д. Жестяников. — Л. : Наука : Ленингр. отд-ние, 1983. — 156 с.
((((Genome 1D edit+) or (genome 1D engineer+) or gene) and (DNA or RNA or (double helix)) and (crisp or cas9 or talen or zfn or nucleases or meganucleases or (prime edit+))) NOT (SELECTION OR CROSS+ OR THERAPY OR PHENOTYPE))/TI/AB/CLMS AND PRD >= 2001
Bennett M.D. and Leitch I.J.Plant DNA C-values Database(англ.). Official site of Kew Gardens (12 января 2010). Дата обращения: 13 ноября 2012. Архивировано 23 ноября 2012 года.