Tamanho do genoma - Genome size

Variações de tamanho do genoma (em pares de bases) de várias formas de vida

O tamanho do genoma é a quantidade total de DNA contido em uma cópia de um único genoma completo . É normalmente medido em termos de massa em picogramas (trilionésimos ( 10-12 ) de um grama , abreviado pg) ou menos frequentemente em daltons , ou como o número total de pares de bases de nucleotídeos , geralmente em megabases (milhões de pares de bases, abreviado Mb ou Mbp). Um picograma é igual a 978 megabases. Em diplóides organismos , genoma tamanho é frequentemente utilizado indiferentemente com o termo C-valor .

A complexidade de um organismo não é diretamente proporcional ao tamanho de seu genoma; o conteúdo total de DNA é amplamente variável entre os táxons biológicos. Alguns organismos unicelulares têm muito mais DNA do que humanos, por razões que permanecem obscuras (ver DNA não codificador e enigma do valor C ).

Origem do termo

Árvore da vida com tamanhos de genoma como barras externas

O termo "tamanho do genoma" é frequentemente atribuído erroneamente a um artigo de 1976 de Ralph Hinegardner, mesmo em discussões que tratam especificamente de terminologia nesta área de pesquisa (por exemplo, Greilhuber 2005). Notavelmente, Hinegardner usou o termo apenas uma vez: no título. O termo parece ter surgido pela primeira vez em 1968, quando Hinegardner se perguntou, no último parágrafo de outro artigo, se " o conteúdo do DNA celular reflete, de fato, o tamanho do genoma". Nesse contexto, "tamanho do genoma" estava sendo usado no sentido de genótipo para significar o número de genes .

Em um artigo submetido apenas dois meses depois, Wolf et al. (1969) usaram o termo "tamanho do genoma" em todo e em seu uso atual; portanto, esses autores provavelmente devem receber o crédito por terem originado o termo em seu sentido moderno. No início dos anos 1970, "tamanho do genoma" estava em uso comum com sua definição atual, provavelmente como resultado de sua inclusão no influente livro de Susumu Ohno , Evolution by Gene Duplication , publicado em 1970.

Variação no tamanho do genoma e conteúdo genético

Com o surgimento de várias técnicas moleculares nos últimos 50 anos, os tamanhos do genoma de milhares de eucariotos foram analisados ​​e esses dados estão disponíveis em bancos de dados online para animais, plantas e fungos (ver links externos). O tamanho do genoma nuclear é normalmente medido em eucariotos usando medições densitométricas de núcleos corados com Feulgen (anteriormente usando densitômetros especializados, agora mais comumente usando análise de imagem computadorizada ) ou citometria de fluxo . Em procariotos , eletroforese em gel de campo pulsado e sequenciamento completo do genoma são os métodos predominantes de determinação do tamanho do genoma.

Os tamanhos do genoma nuclear são bem conhecidos por variar enormemente entre as espécies eucarióticas. Em animais, eles variam mais de 3.300 vezes, e em plantas terrestres eles diferem por um fator de cerca de 1.000. Foi relatado que os genomas protistas variam mais de 300.000 vezes em tamanho, mas o limite superior dessa faixa ( ameba ) foi questionado. Em eucariotos (mas não procariontes), o tamanho do genoma não é proporcional ao número de genes presentes no genoma, uma observação que foi considerada totalmente contra-intuitiva antes da descoberta do DNA não codificante e que ficou conhecida como o " valor C paradoxo "como resultado. No entanto, embora não haja mais nenhum aspecto paradoxal para a discrepância entre o tamanho do genoma e o número do gene, o termo permanece de uso comum. Por razões de esclarecimento conceitual, os vários quebra-cabeças que permanecem em relação à variação do tamanho do genoma, em vez disso, foram sugeridos por um autor para compreender mais precisamente um quebra-cabeça ou um enigma (o chamado " enigma do valor C ").

O tamanho do genoma se correlaciona com uma gama de características mensuráveis ​​nos níveis da célula e do organismo, incluindo tamanho da célula, taxa de divisão celular e, dependendo do táxon , tamanho do corpo, taxa metabólica , taxa de desenvolvimento, complexidade do órgão , distribuição geográfica ou risco de extinção . Com base nos dados de genoma completamente sequenciados atualmente disponíveis (em abril de 2009), o número do gene transformado em log forma uma correlação linear com o tamanho do genoma transformado em log em bactérias, arquéias, vírus e organelas combinadas, enquanto um não linear (logaritmo seminatural) correlação é observada para eucariotos. Embora o último contraste com a visão anterior de que não existe correlação para os eucariotos, a correlação não linear observada para os eucariotos pode refletir o DNA não codificador de aumento desproporcionalmente rápido em genomas eucariotas cada vez maiores. Embora os dados sequenciados do genoma sejam praticamente tendenciosos para pequenos genomas, o que pode comprometer a precisão da correlação empiricamente derivada, e a prova final da correlação continua a ser obtida pelo sequenciamento de alguns dos maiores genomas eucarióticos, os dados atuais não parecem descartar um possível correlação.

Redução do genoma

Tamanho do genoma comparado ao número de genes. Gráfico log-log do número total de proteínas anotadas em genomas submetidos ao GenBank em função do tamanho do genoma. Com base em dados de relatórios do genoma do NCBI .

A redução do genoma , também conhecida como degradação do genoma , é o processo pelo qual o genoma de um organismo encolhe em relação ao de seus ancestrais. Os genomas variam de tamanho regularmente, e a redução do tamanho do genoma é mais significativa nas bactérias .

Os casos mais evolutivamente significativos de redução do genoma podem ser observados nas organelas eucarióticas conhecidas por serem derivadas de bactérias: mitocôndrias e plastídeos . Essas organelas são descendentes de endossimbiontes primordiais , que eram capazes de sobreviver dentro da célula hospedeira e que a célula hospedeira também precisava para sobreviver. Muitas mitocôndrias atuais têm menos de 20 genes em todo o genoma, enquanto uma bactéria moderna de vida livre geralmente tem pelo menos 1.000 genes. Muitos genes foram aparentemente transferidos para o núcleo do hospedeiro , enquanto outros simplesmente foram perdidos e suas funções substituídas por processos do hospedeiro.

Outras bactérias se tornaram endossimbiontes ou patógenos intracelulares obrigatórios e, como resultado, sofreram uma extensa redução do genoma. Este processo parece ser dominado pela deriva genética resultante do pequeno tamanho da população , baixas taxas de recombinação e altas taxas de mutação , em oposição à seleção para genomas menores. Alguns bacterioplânctons marinhos de vida livre também mostram sinais de redução do genoma, que, segundo a hipótese, são causados ​​pela seleção natural.

Em espécies endossimbióticas obrigatórias

As espécies endossimbióticas obrigatórias são caracterizadas por uma completa incapacidade de sobreviver fora de seu ambiente hospedeiro . Essas espécies se tornaram uma ameaça considerável à saúde humana, pois muitas vezes são capazes de escapar do sistema imunológico humano e manipular o ambiente do hospedeiro para adquirir nutrientes. Uma explicação comum para essas habilidades de manipulação é sua estrutura genômica consistente e compacta. Esses pequenos genomas são o resultado de perdas massivas de DNA estranho, uma ocorrência que está exclusivamente associada à perda de um estágio de vida livre. Até 90% do material genético pode ser perdido quando uma espécie faz a transição evolutiva de um estilo de vida livre para um estilo de vida intracelular obrigatório. Durante esse processo o futuro parasita submetido a um ambiente rico em metabólitos onde de alguma forma precisa se esconder dentro da célula hospedeira, esses fatores reduzem a retenção e aumentam a deriva genética levando a uma aceleração da perda de genes não essenciais. Exemplos comuns de espécies com genomas reduzidos incluem Buchnera aphidicola , Rickettsia prowazekii e Mycobacterium leprae . Um endossimbionte obrigatório de cigarrinhas , Nasuia deltocephalinicola , tem o menor genoma conhecido atualmente entre os organismos celulares a 112 kb. Apesar da patogenicidade da maioria dos endossimbiontes, algumas espécies intracelulares obrigatórias têm efeitos de aptidão positivos em seus hospedeiros.

O modelo de evolução redutiva foi proposto como um esforço para definir as semelhanças genômicas vistas em todos os endossimbiontes obrigatórios. Este modelo ilustra quatro características gerais de genomas reduzidos e espécies intracelulares obrigatórias:

  1. "simplificação do genoma" resultante da seleção relaxada de genes supérfluos no ambiente intracelular;
  2. uma tendência para deleções (em vez de inserções), que afeta fortemente os genes que foram interrompidos pelo acúmulo de mutações ( pseudogenes );
  3. muito pouca ou nenhuma capacidade de adquirir novo DNA; e
  4. redução considerável do tamanho efetivo da população em populações endossimbióticas, particularmente em espécies que dependem da transmissão vertical de material genético.

Com base nesse modelo, fica claro que os endossimbiontes enfrentam desafios adaptativos diferentes das espécies de vida livre e, conforme emergiu da análise entre diferentes parasitas, seus inventários de genes são extremamente diferentes, levando-nos à conclusão de que a miniaturização do genoma segue um padrão diferente. para os diferentes simbiontes.

Conversão de picogramas (pg) em pares de bases (bp)

ou simplesmente:

Regra de Drake

Em 1991, John W. Drake propôs uma regra geral: que a taxa de mutação dentro de um genoma e seu tamanho são inversamente correlacionados. Esta regra foi considerada aproximadamente correta para genomas simples, como aqueles em vírus de DNA e organismos unicelulares. Sua base é desconhecida.

Foi proposto que o pequeno tamanho dos vírus de RNA está bloqueado em uma relação de três partes entre a fidelidade de replicação, o tamanho do genoma e a complexidade genética. A maioria dos vírus de RNA carece de um mecanismo de revisão de RNA, o que limita sua fidelidade de replicação e, portanto, o tamanho do genoma. Isso também foi descrito como o "paradoxo de Eigen". Uma exceção à regra de tamanhos pequenos de genoma em vírus de RNA é encontrada nos Nidovírus . Esses vírus parecem ter adquirido uma exoribonuclease 3′-a-5′ (ExoN), que permitiu um aumento no tamanho do genoma.

Miniaturização do genoma e tamanho ideal

Em 1972, Michael David Bennett hipótese de que havia uma correlação com o teor de ADN e o volume nuclear, enquanto Commoner e van't Hof e Sparrow antes dele postulado que o tamanho das células e ciclo celular, mesmo comprimento foram controlada pela quantidade de ADN. Teorias mais recentes nos trouxeram a discutir sobre a possibilidade da presença de um mecanismo que restringe fisicamente o desenvolvimento do genoma a um tamanho ideal.

Essas explicações foram contestadas pelo artigo de Cavalier-Smith , onde o autor apontou que a forma de entender a relação entre o tamanho do genoma e o volume da célula estava relacionada à teoria do esqueleto. O núcleo dessa teoria está relacionado ao volume celular, determinado por um equilíbrio de adaptação entre vantagens e desvantagens do tamanho celular maior, a otimização da razão núcleo: citoplasma (razão carioplasmática) e o conceito de que genomas maiores proporcionam são mais propensos à acúmulo de transposons duplicados como conseqüência do maior conteúdo de DNA esquelético não codificador. Cavalier-Smith também propôs que, como conseqüência da reação de redução celular, o núcleo ficará mais sujeito a uma seleção favorável à deleção do que à duplicação.

Do ponto de vista econômico, como o fósforo e a energia são escassos, uma redução no DNA deve ser sempre o foco da evolução, a menos que um benefício seja adquirido. A exclusão aleatória será então principalmente deletéria e não selecionada devido à redução da aptidão adquirida, mas ocasionalmente a eliminação também será vantajosa. Esse trade-off entre economia e acúmulo de DNA não codificador é a chave para a manutenção da proporção carioplasmática.

Mecanismos de miniaturização do genoma

A questão básica por trás do processo de miniaturização do genoma é se ele ocorre por meio de grandes etapas ou devido a uma erosão constante do conteúdo do gene. Para avaliar a evolução desse processo é necessário comparar um genoma ancestral com aquele onde o encolhimento supostamente ocorreu. Graças à similaridade entre o conteúdo gênico de Buchnera aphidicola e da bactéria entérica Escherichia coli , 89% de identidade para o rDNA 16S e 62% para genes ortólogos foi possível esclarecer o mecanismo de miniaturização do genoma. O genoma do endossimbionte B. aphidicola é caracterizado por um tamanho de genoma sete vezes menor que o de E. coli (643 kb em comparação com 4,6 Mb) e pode ser visto como um subconjunto do inventário de genes de bactérias entéricas. Do confronto dos dois genomas emergiu que alguns genes persistem como parcialmente degradados. indicando que a função foi perdida durante o processo e que eventos consequentes de erosão encurtaram o comprimento, conforme documentado em Rickettsia . Essa hipótese é confirmada pela análise dos pseudogenes de Buchnera onde o número de deleções foi mais de dez vezes maior em relação à inserção.

Na Rickettsia prowazekii , assim como em outras pequenas bactérias do genoma, este endossimbionte mutualístico experimentou uma vasta redução da atividade funcional com uma grande exceção em comparação com outros parasitas que ainda retêm a capacidade bio-sintética de produção de aminoácidos necessária ao seu hospedeiro. Os efeitos comuns do encolhimento do genoma entre este endossimbionte e os outros parasitas são a redução da capacidade de produzir fosfolipídios, reparo e recombinação e uma conversão geral da composição do gene para um conteúdo de AT mais rico devido à mutação e substituições. A evidência da deleção da função de reparo e recombinação é a perda do gene rec A, gene envolvido na via da recombinase . Esse evento aconteceu durante a remoção de uma região maior contendo dez genes para um total de quase 10 kb. A mesma fé ocorreu uvr A, uvr B e uvr C, genes que codificam para as enzimas de excisão envolvidas no reparo do DNA danificado devido à exposição aos raios ultravioleta.

Um dos mecanismos mais plausíveis para a explicação do encolhimento do genoma é o rearranjo cromossômico porque a inserção / deleção de porções maiores da sequência são mais facilmente observadas durante a recombinação homóloga em comparação com a ilegítima, portanto, a propagação dos elementos transponíveis será positivamente afetar a taxa de exclusão. A perda desses genes nos estágios iniciais da miniaturização não apenas essa função, mas deve ter desempenhado um papel na evolução das deleções consequentes. Evidências do fato de que maior evento de remoção ocorreu antes de menor deleção emergiram da comparação do genoma de Bucknera e um ancestral reconstruído, onde o gene que foi perdido está de fato não disperso aleatoriamente no gene ancestral, mas agregado e a relação negativa entre o número de genes perdidos e o comprimento dos espaçadores. O evento de pequenos indels locais desempenha um papel marginal na redução do genoma, especialmente nos estágios iniciais, onde um grande número de genes se tornou supérfluo.

Em vez disso, eventos únicos ocorreram devido à falta de pressão de seleção para a retenção de genes, especialmente se parte de uma via que perdeu sua função durante uma deleção anterior. Um exemplo disso é a deleção de rec F, gene necessário para a função de rec A, e seus genes flanqueadores. Uma das consequências da eliminação dessa quantidade de sequências afetou até mesmo a regulação dos genes remanescentes. A perda de grande parte dos genomas poderia de fato levar a uma perda nas sequências do promotor. Isso poderia de fato empurrar a seleção para a evolução das regiões policistrônicas com um efeito positivo tanto para a redução de tamanho quanto para a eficiência da transcrição.

Evidência de miniaturização do genoma

Um exemplo de miniaturização do genoma ocorreu nos microsporídios , um parasita intracelular anaeróbio de artrópodes evoluído de fungos aeróbios.

Durante este processo, os mitossomas foram formados em conseqüência da redução das mitocôndrias a uma relíquia anulada de genomas e atividade metabólica, exceto para a produção de centros de enxofre de ferro e a capacidade de entrar nas células hospedeiras. Com exceção dos ribossomos , também miniaturizados, muitas outras organelas quase se perderam durante o processo de formação do menor genoma encontrado nos eucariotos. De seu possível ancestral, um fungo zigomicotina , o microsporídio encolheu seu genoma eliminando quase 1000 genes e reduziu até mesmo o tamanho de proteínas e genes codificadores de proteínas. Este processo extremo foi possível graças à seleção vantajosa para um tamanho de célula menor imposto pelo parasitismo.

Outro exemplo de miniaturização é representado pela presença de nucleomorphs , núcleos escravizado, no interior da célula de duas algas diferentes, criptofíceas e chlorarachneans .

Os nucleomorfos são caracterizados por um dos menores genomas conhecidos (551 e 380 kb) e, conforme observado para os microsporídios, alguns genomas são visivelmente reduzidos em comprimento em comparação com outros eucariotos devido à virtual falta de DNA não codificante. O fator mais interessante é representado pela coexistência daqueles pequenos núcleos dentro de uma célula que contém outro núcleo que nunca experimentou tal redução do genoma. Além disso, mesmo que as células hospedeiras tenham diferentes volumes de espécie para espécie e uma consequente variabilidade no tamanho do genoma, o nucleomorfo permanece invariante, denotando um duplo efeito de seleção dentro da mesma célula.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos