Γονιδίωμα

Αποτελείται από DNA (ή RNA σε ιούς RNA). Το γονιδίωμα περιλαμβάνει τόσο τα γονίδια (τις κωδικοποιητικές περιοχές) όσο και το μη κωδικοποιητικό DNA, καθώς και το μιτοχονδριακό DNA και DNA των χλωροπλαστών. Η μελέτη του γονιδιώματος ονομάζεται γονιδιωματική.

Ο όρος γονιδίωμα δημιουργήθηκε το 1920 από τον Hans Winkler, καθηγητή της βοτανικής στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, Γερμανία. Το λεξικό Όξφορντ προτείνει το όνομα ως μείξη των λέξεων γονίδιο και χρωμόσωμα

Η αλληλουχία του γονιδιώματος είναι ο πλήρης κατάλογος των νουκλεοτιδίων (A, C, G και T για τα γονιδιώματα DNA) που αποτελούν όλα τα χρωμοσώματα ενός ατόμου ή ενός είδους. Σε ένα είδος, η συντριπτική πλειονότητα των νουκλεοτιδίων είναι ταυτόσημη μεταξύ των ατόμων, αλλά η αλληλούχιση πολλών ατόμων είναι απαραίτητη για την κατανόηση της γενετικής ποικιλομορφίας.

 

Το 1976, ο Walter Fiers στο Πανεπιστήμιο της Γάνδης (Βέλγιο) ήταν ο πρώτος που καθιέρωσε την πλήρη νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός ιικού γονιδιώματος RNA (βακτηριοφάγος MS2). Το επόμενο έτος, ο Fred Sanger ολοκλήρωσε την πρώτη αλληλουχία γονιδιώματος DNA : Φάγος Φ-Χ174, από 5386 ζεύγη βάσεων. Οι πρώτες πλήρεις αλληλουχίες γονιδιώματος μεταξύ των τριών επικρατειών της ζωής κυκλοφόρησαν σε σύντομο χρονικό διάστημα κατά τα μέσα της δεκαετίας του 1990: Το πρώτο βακτηριακό γονιδίωμα το οποίο αλληλουχήθηκε ήταν εκείνο της Haemophilus influenzae, που ολοκληρώθηκε από μια ομάδα στο "The Institute for Genomic Research" το 1995. Λίγους μήνες αργότερα, ολοκληρώθηκε το πρώτο ευκαρυωτικό γονιδίωμα, με αλληλουχίες των 16 χρωμοσωμάτων της εκβλάστησης ζύμης Saccharomyces cerevisiae που δημοσιεύθηκε ως αποτέλεσμα μιας ευρωπαϊκής προσπάθειας που ξεκίνησε το στα μέσα της δεκαετίας του 1980. Η πρώτη ακολουθία γονιδιώματος για ένα αρχαίο, το Methanococcus jannaschii, ολοκληρώθηκε το 1996, ξανά από το Ινστιτούτο Γονιδιωματικής Έρευνας. Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών έχει κάνει την αλληλούχιση γονιδιώματος πολύ πιο φτηνή και πιο εύκολη και ο αριθμός των πλήρων αλληλουχιών γονιδιώματος αυξάνεται ραγδαία. Τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (ΗΠΑ) διατηρούν μία από τις πολλές ολοκληρωμένες βάσεις δεδομένων γονιδιωματικών πληροφοριών.

Μεταξύ των χιλιάδων ολοκληρωμένων έργων αλληλούχισης του γονιδιώματος περιλαμβάνονται εκείνα για το ρύζι, το ποντίκι, το φυτό Arabidopsis thaliana, τις τετραοδοντίδες και τα βακτήρια Εσερίχια κόλι. Τον Δεκέμβριο του 2013, οι επιστήμονες αλληλούχισαν για πρώτη φορά ολόκληρο το γονιδίωμα ενός Νεάντερταλ, ενός εξαφανισμένου είδους ανθρώπων. Το γονιδίωμα εξήχθη από το οστό δακτύλου ενός Νεάντερταλ περίπου 130.000 ετών που βρέθηκε σε Σπήλαιο της Σιβηρίας.

Νέες τεχνολογίες αλληλούχισης, όπως μαζική παράλληλη αλληλούχιση έχουν επίσης ανοίξει την προοπτική της αλληλούχισης του προσωπικού γονιδιώματος ως διαγνωστικού εργαλείου, όπου πρωτοστάτησε η Manteia Predictive Medicine. Ένα σημαντικό βήμα προς αυτόν τον στόχο ήταν η ολοκλήρωση το 2007 του πλήρους γονιδιώματος του James D. Watson, ενός από τα άτομα που ανακάλυψαν τη δομή του DNA.

Ενώ μια αλληλουχία γονιδιώματος παραθέτει τη σειρά κάθε βάσης DNA σε ένα γονιδίωμα, ένας χάρτης γονιδιώματος προσδιορίζει τα σημεία αναφοράς. Ένας χάρτης γονιδιώματος είναι λιγότερο λεπτομερής από μια αλληλουχία γονιδιώματος και βοηθά στην πλοήγηση γύρω από το γονιδίωμα. Το έργο του ανθρωπίνου γονιδιώματος οργανώθηκε σε χάρτη και σε αλληλούχιση του ανθρωπίνου γονιδιώματος. Ένα βασικό βήμα στο έργο ήταν η έκδοση ενός λεπτομερούς γονιδιωματικού χάρτη από τον Jean Weissenbach και την ομάδα του στο Genoscope στο Παρίσι.

Οι αλληλουχίες του γονιδιώματος αναφοράς και οι χάρτες συνεχίζουν να ενημερώνονται, αφαιρώντας τα λάθη και αποσαφηνίζοντας περιοχές με υψηλή πολυπλοκότητα αλληλομόρφων. Το μειωμένο κόστος της γονιδιωματικής χαρτογράφησης επέτρεψε στους γενεαλογικούς ιστότοπους να την προσφέρουν ως υπηρεσία, στο βαθμό που κάποιος μπορεί να υποβάλει το γονιδίωμα κάποιου σε πληθοπορισμικά εγχειρήματα όπως DNA.LAND στο Κέντρο Γονιδιώματος της Νέας Υόρκης, ένα παράδειγμα τόσο οικονομιών κλίμακας όσο και επιστήμης των πολιτών.

Τα ιικά γονιδιώματα μπορεί να αποτελούνται είτε από RNA ή από DNA. Τα γονιδιώματα των ιών RNA μπορεί να είναι είτε μονόκλωνα, είτε δίκλωνα RNA και μπορεί να περιέχουν ένα ή περισσότερα ξεχωριστά μόρια RNA (τμήματα: μονομερή ή πολυμερή γονιδιώματος). Οι ιοί DNA μπορούν να έχουν είτε μονόκλωνα είτε δίκλωνα γονιδιώματα. Τα περισσότερα γονιδιώματα ιών DNA αποτελούνται από ένα μόνο γραμμικό μόριο DNA, αλλά μερικά αποτελούνται από ένα μόριο κυκλικού DNA. Υπάρχουν επίσης ιικά RNA που είναι μονόκλωνα RNA και χρησιμεύουν ως πρότυπο για τη σύνθεση mRNA και μονόκλωνα RNA που χρησιμεύουν ως πρότυπα για τη σύνθεση DNA.

Ιικός φάκελος είναι ένα εξωτερικό στρώμα μεμβράνης που χρησιμοποιούν τα ιικά γονιδιώματα για να εισέλθουν στο κύτταρο του ξενιστή. Ορισμένες από τις κατηγορίες ιικού DNA και RNA έχουν ιικό φάκελο, ενώ άλλες όχι.

Τα προκαρυωτικά και τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν γονιδιώματα DNA. Τα αρχαία και τα περισσότερα βακτήρια έχουν ένα μοναδικό κυκλικό χρωμόσωμα. Ωστόσο, ορισμένα βακτηριακά είδη έχουν γραμμικά ή πολλαπλά χρωμοσώματα. Εάν το DNA αντιγράφεται γρηγορότερα από ό,τι διαιρούνται τα βακτηριακά κύτταρα, μπορούν να υπάρχουν πολλαπλά αντίγραφα του χρωμοσώματος σε ένα μοναδικό κύτταρο και εάν τα κύτταρα διαιρούνται γρηγορότερα από ό,τι μπορεί να αναπαραχθεί το DNA, ξεκινά πολλαπλή αναπαραγωγή του χρωμοσώματος πριν συμβεί η διαίρεση, επιτρέποντας στα θυγατρικά κύτταρα να κληρονομήσουν πλήρη γονιδιώματα και ήδη μερικώς αναπαραγόμενα χρωμοσώματα. Τα περισσότερα προκαρυωτικά κύτταρα έχουν πολύ λίγο επαναλαμβανόμενο DNA στα γονιδιώματά τους. Ωστόσο, ορισμένα συμβιωτικά βακτήρια (π.χ. Serratia symbiotica) έχουν μειωμένα γονιδιώματα και ένα υψηλό κλάσμα ψευδογονιδίων: μόνο το περίπου 40% του DNA τους κωδικοποιεί πρωτεΐνες

Μερικά βακτήρια έχουν βοηθητικό γενετικό υλικό, επίσης μέρος του γονιδιώματός τους, το οποίο μεταφέρεται σε πλασμίδια. Για αυτό, η λέξη γονιδίωμα δεν πρέπει να χρησιμοποιείται ως συνώνυμο του χρωμοσώματος.

Τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα αποτελούνται από ένα ή περισσότερα γραμμικά χρωμοσώματα DNA. Ο αριθμός των χρωμοσωμάτων ποικίλλει σημαντικά από Myrmecia pilosula και Diploscapter pachys (asexual nemotode), που το καθένα έχει μόνο ένα ζεύγος, σε Ophioglossum (είδος φτέρης) που έχει 720 ζεύγη. Είναι εκπληκτικό το ποσό του DNA που περιέχουν τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα σε σύγκριση με άλλα γονιδιώματα. Η ποσότητα είναι ακόμη μεγαλύτερη από ό,τι είναι απαραίτητη για κωδικοποιητικά γονίδια πρωτεϊνών DNA και μη κωδικοποιητικά γονίδια λόγω του γεγονότος ότι τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα εμφανίζουν παραλλαγές έως και 64.000 φορές στα μεγέθη τους. Ωστόσο, αυτό το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό προκαλείται από την παρουσία επαναλαμβανόμενου DNA και μεταθετών στοιχείων (TEs).

Ένα τυπικό ανθρώπινο κύτταρο έχει δύο αντίγραφα καθένα από τα 22 ζεύγη αυτοσωμάτων, που κανονικά το καθένα κληρονομείται από κάθε γονέα, συν δύο φυλετικά χρωμοσώματα, καθιστώντας το διπλοειδές. Οι γαμέτες, όπως τα ωάρια, το σπέρμα, τα σπόρια και η γύρη, είναι απλοειδή, που σημαίνει ότι φέρουν μόνο ένα αντίγραφο κάθε χρωμοσώματος. Εκτός από τα χρωμοσώματα στον πυρήνα, οργανίδια όπως οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια έχουν το δικό τους DNA. Τα μιτοχόνδρια μερικές φορές λέγεται ότι έχουν το δικό τους γονιδίωμα που συχνά αναφέρεται ως "μιτοχονδριακό γονιδίωμα". Το DNA που βρίσκεται μέσα στον χλωροπλάστη μπορεί να αναφέρεται ως "πλαστωμα". Όπως τα βακτήρια από τα οποία προέρχονται, τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες έχουν κυκλικό χρωμόσωμα.

Σε αντίθεση με τα προκαρυωτικά, τα ευκαρυωτικά έχουν οργάνωση γονιδίων εξωνίων-εσωνίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και μεταβλητές ποσότητες επαναλαμβανόμενου DNA. Στα θηλαστικά και τα φυτά, η πλειονότητα του γονιδιώματος αποτελείται από επαναλαμβανόμενο DNA. Τα γονίδια στα ευκαρυωτικά γονιδιώματα μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας το FINDER.

Αλληλουχίες κωδικοποίησης

Οι αλληλουχίες DNA που φέρουν τις οδηγίες για την παραγωγή πρωτεϊνών αναφέρονται ως κωδικοποιητικές αλληλουχίες. Η αναλογία του γονιδιώματος που καταλαμβάνεται από κωδικοποιητικές αλληλουχίες ποικίλλει ευρέως. Ένα μεγαλύτερο γονιδίωμα δεν περιέχει απαραίτητα περισσότερα γονίδια και η αναλογία του μη επαναλαμβανόμενου DNA μειώνεται μαζί με την αύξηση του μεγέθους του γονιδιώματος σε πολύπλοκους ευκαρυώτες.

 

Αλληλουχίες χωρίς κωδικοποίηση

Οι μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες περιλαμβάνουν εσώνια, αλληλουχίες για μη κωδικοποιητικά RNA, ρυθμιστικές περιοχές και επαναλαμβανόμενο DNA. Οι μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες αποτελούν το 98% του ανθρώπινου γονιδιώματος. Υπάρχουν δύο κατηγορίες επαναλαμβανόμενων DNA στο γονιδίωμα: διαδοχικές επαναλήψεις και διάσπαρτες επαναλήψεις.

Διαδοχικές επαναλήψεις

Σύντομες, μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες που επαναλαμβάνονται από την αρχή έως το τέλος καλούνται διαδοχικές επαναλήψεις. Μικροδορυφόροι αποτελούμενοι από 2-5 επαναλήψεις ζεύγους βάσεων, ενώ οι επαναλήψεις μινιδορυφόρων είναι 30-35 bp. Οι διαδοχικές επαναλήψεις αποτελούν περίπου το 4% του ανθρώπινου γονιδιώματος και το 9% του γονιδιώματος της μύγας των φρούτων. Οι διαδοχικές επαναλήψεις μπορούν να είναι λειτουργικές. Για παράδειγμα, τα τελομερή αποτελούνται από την διαδοχική επανάληψη TTAGGG στα θηλαστικά και παίζουν σημαντικό ρόλο στην προστασία των άκρων του χρωμοσώματος.

Σε άλλες περιπτώσεις, οι επεκτάσεις του αριθμού των διαδοχικών επαναλήψεων σε εξώνια ή εσώνια μπορεί να προκαλέσει την ασθένεια της τρινουκλεοτιδικής επαναλαμβανόμενης διαταραχής. Για παράδειγμα, το ανθρώπινο γονίδιο χαντιγκτίνη περιέχει συνήθως 6-29 διαδοχικές επαναλήψεις των νουκλεοτιδίων CAG (κωδικοποιώντας μια πολυγλουταμίνη). Η επέκταση σε πάνω από 36 επαναλήψεις οδηγεί στη νόσο του Χάντινγκτον, μια νευροεκφυλιστική ασθένεια. Είκοσι ανθρώπινες διαταραχές είναι γνωστό ότι προκύπτουν από παρόμοιες διαδοχικές επαναλαμβανόμενες επεκτάσεις σε διάφορα γονίδια. Ο μηχανισμός με τον οποίο οι πρωτεΐνες με διευρυμένες οδούς πολυγλουταμίνης προκαλούν θάνατο των νευρώνων δεν είναι πλήρως κατανοητός. Μία πιθανότητα είναι ότι οι πρωτεΐνες αποτυγχάνουν να διπλώνονται σωστά και να αποφεύγουν την αποικοδόμηση, αντί να συσσωρεύονται σε συσσωματώματα που επίσης δεσμεύουν σημαντικούς παράγοντες μεταγραφής, μεταβάλλοντας έτσι τη γονιδιακή έκφραση.

Οι διαδοχικές επαναλήψεις προκαλούνται συνήθως από ολίσθηση κατά την αναπαραγωγή, άνισο επιχιασμό και μετατροπή γονιδίων.

Μεταθετά στοιχεία

Τα μεταθετά στοιχεία (ΤΕ) είναι αλληλουχίες DNA με καθορισμένη δομή που μπορούν να αλλάξουν τη θέση τους στο γονιδίωμα. Τα TE κατηγοριοποιούνται είτε ως ένας μηχανισμός που αναπαράγεται με αντιγραφή και επικόλληση, είτε ως μηχανισμός που μπορεί να αποκοπεί από το γονιδίωμα και να εισαχθεί σε μια νέα θέση. Στο ανθρώπινο γονιδίωμα, υπάρχουν τρεις σημαντικές τάξεις ΤΕ που αποτελούν περισσότερο από το 45% του ανθρώπινου DNA. Αυτές οι τάξεις είναι τα μακρά διασπαρμένα πυρηνικά στοιχεία (long interspersed nuclear elements ή LINEs), τα διασπαρμένα πυρηνικά στοιχεία (interspersed nuclear elements ή SINEs) και οι ενδογενείς ρετροϊοί. Αυτά τα στοιχεία έχουν μεγάλες δυνατότητες τροποποίησης του γενετικού ελέγχου σε έναν οργανισμό ξενιστή.

Η κίνηση των TEs είναι η κινητήρια δύναμη της εξέλιξης του γονιδιώματος στους ευκαρυώτες, επειδή η εισαγωγή τους μπορεί να διαταράξει τις γονιδιακές λειτουργίες, ο ομόλογος ανασυνδυασμός μεταξύ των TE μπορεί να προκαλέσει διπλασιασμούς και το TE μπορεί να ανακατέψει τα εξώνια και τις ρυθμιστικές αλληλουχίες σε νέες τοποθεσίες.

Ρετρομεταθετόνια (Retrotransposons)

Τα ρετρομεταθετόνια βρίσκονται κυρίως σε ευκαρυώτες αλλά δεν βρίσκονται σε προκαρυώτες και τα ρετρομεταθετόνια σχηματίζουν μεγάλο μέρος των γονιδιωμάτων πολλών ευκαρυωτικών. Το ρετρομεταθετόνιο είναι ένα μεταθετό στοιχείο που μεταφέρεται μέσω ενός ενδιάμεσου RNA. Τα ρετρομεταθετόνια αποτελούνται από DNA, αλλά μεταγράφονται σε RNA για τη μεταφορά, έπειτα το μεταγράφημα RNA αντιγράφεται πίσω στον σχηματισμό DNA με τη βοήθεια ενός συγκεκριμένου ενζύμου που ονομάζεται αντίστροφη μεταγραφάση. Τα ρετρομεταθετόνια που φέρουν αντίστροφη μεταγραφάση στο γονίδιο τους μπορούν να προκαλέσουν τη δική της μεταφορά, αλλά τα γονίδια που δεν έχουν την αντίστροφη μεταγραφάση πρέπει να χρησιμοποιησουν την αντίστροφη μεταγραφάση που συντίθεται από άλλο ρετρομεταθετόνιο. Τα ρετρομεταθετόνια μπορούν να μεταγραφούν σε RNA, που στη συνέχεια διπλασιάζονται σε άλλη θέση στο γονιδίωμα. Τα ρετρομεταθετόνια μπορούν να χωριστούν σε μακριές ακραίες επαναλήψεις (long terminal repeats ή LTRs) και σε μη μακριές ακραίες επαναλήψεις (Non-LTRs).

Οι μακριές ακραίες επαναλήψεις Long terminal repeats (LTRs) προέρχονται από αρχαίες ρετροϊικές λοιμώξεις, επομένως κωδικοποιούν πρωτεΐνες που σχετίζονται με ρετροϊικές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων ομαδοειδικών αντιγόνων (group-specific antigen ή gag), γλυκοζαμινογλυκάνης, pol (πολυμερασών - αντίστροφη μεταγραφάση και ιντεγκράση), pro (πρωτεάση) και σε μερικές περιπτώσεις φακέλους (env) γονιδίων. Αυτά τα γονίδια πλαισιώνονται από μεγάλες επαναλήψεις και στα δύο άκρα 5' και 3'. Έχει αναφερθεί ότι τα LTRs αποτελούν το μεγαλύτερο κλάσμα στα περισσότερα φυτικά γονιδιώματα και ενδέχεται να αντιπροσωπεύουν την τεράστια διακύμανση στο μέγεθος του γονιδιώματος.

Οι μη μακριές ακραίες επαναλήψεις Non-long terminal repeats (Non-LTR) ταξινομούνται ως μακρά διάσπαρτα πυρηνικά στοιχεία (long interspersed nuclear elements (LINEs)), βραχέα διάσπαρτα πυρηνικά στοιχεία (short interspersed nuclear elements (SINEs)) και στοιχεία τύπου Penelope (Penelope-like elements (PLE)). Στο "Dictyostelium discoideum", υπάρχουν και άλλα στοιχεία τύπου DIRS που ανήκουν σε μη LTR. Τα μη LTRs εξαπλώνονται ευρέως στα ευκαρυωτικά γονιδιώματα.

Τα μακρά διάσπαρτα στοιχεία (Long interspersed elements LINEs) κωδικοποιούν γονίδια για την αντίστροφη μεταγραφάση και την ενδονουκλεάση, καθιστώντας τα αυτόνομα μεταθετά στοιχεία. Το ανθρώπινο γονιδίωμα έχει περίπου 500.000 LINEs, καταλαμβάνοντας περίπου το 17% του γονιδιώματος.

Τα βραχέα διάσπαρτα στοιχεία (Short interspersed elements (SINEs)) είναι συνήθως μικρότερα από 500 ζεύγη βάσεων και δεν είναι αυτόνομα, επομένως βασίζονται στις πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από τις LINE για μετάθεση. Το στοιχείο Alu είναι το πιο κοινό SINE που βρίσκεται στα πρωτεύοντα. Είναι περίπου 350 ζεύγη βάσεων και καταλαμβάνει περίπου το 11% του ανθρώπινου γονιδιώματος με περίπου 1.500.000 αντίγραφα.

Μεταθετόνια DNA

Τα μεταθετόνια DNA κωδικοποιούν ένα ένζυμο μεταθετάσης μεταξύ ανεστραμμένων τελικών επαναλήψεων. Όταν εκφράζεται, η μεταθετάση αναγνωρίζει τις ακραίες ανεστραμμένες επαναλήψεις που πλαισιώνουν το μεταθετόνιο και καταλύει την αποκοπή και την επανεισαγωγή του σε μια νέα θέση. Αυτός ο μηχανισμός αποκοπής και επικόλλησης επανασυνδέει συνήθως τα μεταθετόνια κοντά στην αρχική τους θέση (εντός 100kb). Τα μεταθετόνια DNA βρίσκονται σε βακτήρια και αποτελούν το 3% του ανθρώπινου γονιδιώματος και το 12% του γονιδιώματος του στρογγυλού σκουληκιού "Caenorhabditis elegans".

 

Μέγεθος γονιδιώματος είναι ο συνολικός αριθμός των ζευγών βάσεων DNA σε ένα αντίγραφο ενός απλοειδούς γονιδιώματος. Το μέγεθος του γονιδιώματος ποικίλλει ευρέως μεταξύ των ειδών. Τα ασπόνδυλα έχουν μικρά γονιδιώματα, αυτό συσχετίζεται επίσης με μικρό αριθμό μεταθετών στοιχείων. Τα ψάρια και τα αμφίβια έχουν γονιδιώματα μεσαίου μεγέθους και τα πουλιά έχουν σχετικά μικρά γονιδιώματα, αλλά έχει προταθεί ότι τα πουλιά έχασαν σημαντικό μέρος των γονιδιωμάτων τους κατά τη φάση της μετάβασης στην πτήση. Πριν από αυτήν την απώλεια, η μεθυλίωση του DNA επέτρεπε την επαρκή επέκταση του γονιδιώματος.

Στον άνθρωπο, το πυρηνικό γονιδίωμα περιλαμβάνει περίπου 3,2 δισεκατομμύρια νουκλεοτίδια DNA, χωρισμένα σε 24 γραμμικά μόρια, τα βραχύτερα 50.000.000 νουκλεοτίδια σε μήκος και τα μακρύτερα 260.000.000 νουκλεοτίδια, που το καθένα περιέχεται σε ένα διαφορετικό χρωμόσωμα. Δεν υπάρχει σαφής και συνεπής συσχέτιση μεταξύ μορφολογικής πολυπλοκότητας και μεγέθους γονιδιώματος είτε σε προκαρυωτικά είτε σε ευκαρυωτικά κύτταρα. Το μέγεθος του γονιδιώματος είναι σε μεγάλο βαθμό συνάρτηση της επέκτασης και της συστολής των επαναλαμβανόμενων στοιχείων DNA. Δεδομένου ότι τα γονιδιώματα είναι πολύ περίπλοκα, μια ερευνητική στρατηγική είναι να μειωθεί ο αριθμός των γονιδίων σε ένα γονιδίωμα στο απολύτως ελάχιστο και να διατηρηθεί ο εν λόγω οργανισμός. Γίνεται πειραματική εργασία σε ελάχιστα γονιδιώματα για μονοκύτταρους οργανισμούς, καθώς και ελάχιστα γονιδιώματα για πολυκυτταρικούς οργανισμούς. Το έργο είναι τόσο ζωντανά όσο και υπολογιστικά .

Μέγεθος γονιδιώματος λόγω μεταθετών

Υπάρχουν πολλές τεράστιες διαφορές στο μέγεθος στα γονιδιώματα, που αναφέρθηκαν προηγουμένως στα πολυκύτταρα ευκαρυωτικά γονιδιώματα. Ο κύριος λόγος για τον οποίο υπάρχει τόσο μεγάλη ποικιλία μεγεθών οφείλεται στην παρουσία μεταθετών στοιχείων. Τα TE (μεταθετά στοιχεία "transposable elements") είναι γνωστό ότι συμβάλλουν σε μια σημαντική αλλαγή σε μάζα κυττάρου του DNA. Αυτή η διαδικασία σχετίζεται με τη μακροπρόθεσμη προσαρμογή τους στο γονιδίωμα του ξενιστή, και συνεπώς, με την επέκταση του μεγέθους του γονιδιώματος.

Εδώ είναι ένας πίνακας ορισμένων σημαντικών ή αντιπροσωπευτικών γονιδιωμάτων.

Όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού προκύπτουν από ένα μοναδικό κύτταρο, έτσι αναμένεται να έχουν ταυτόσημα γονιδιώματα. Ωστόσο, σε κάποιες περιπτώσεις, προκύπτουν διαφορές. Τόσο η διαδικασία αντιγραφής του DNA κατά τη διαίρεση του κυττάρου όσο και η έκθεση σε περιβαλλοντικά μεταλλαξιογόνα μπορούν να έχουν ως αποτέλεσμα μεταλλάξεις σε σωματικά κύτταρα. Σε κάποιες περιπτώσεις, τέτοιες μεταλλάξεις οδηγούν σε καρκίνο, επειδή προκαλούν διαίρεση των κυττάρων και εισβάλλουν στους περιβάλλοντες ιστούς. Σε συγκεκριμένα λεμφοκύτταρα στο ανθρώπινο ανοσοποιητικό σύστημα, ο ανασυνδυασμός V(D)J δημιουργεί διαφορετικές γονιδιωματικές αλληλουχίες τέτοιες που κάθε κύτταρο παράγει ένα μοναδικό αντίσωμα ή υποδοχείς κυττάρων Τ. Κατά τη μείωση, τα διπλοειδή κύτταρα διαιρούνται δύο φορές για να παράξουν απλοειδή γαμετικά κύτταρα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ο ανασυνδυασμός καταλήγει σε αναδιάταξη του γενετικού υλικού από τα ομόλογα χρωμοσώματα, έτσι ώστε κάθε γαμέτης να έχει μοναδικό γονιδίωμα.

Επαναπρογραμματισμός ολόκληρου γονιδιώματος

Ο επαναπρογραμματισμός ολόκληρου του γονιδιώματος σε γεννητικά κύτταρα ποντικιών περιλαμβάνει σβήσιμο επιγενετικού αποτυπώματος που οδηγεί σε παντοδυναμία. Ο επαναπρογραμματισμός διευκολύνεται από ενεργή απομεθυλίωση του DNA, μια διαδικασίας που απαιτεί την επιδιόρθωση με εκτομή βάσης της οδού του DNA. Αυτή η οδός χρησιμοποιείται στο σβήσιμο της μεθυλίωσης CpG (5-μεθυλοκυτοσίνη 5mC) σε αρχέγονα γεννητικά κύτταρα. Το σβήσιμο της 5mC συμβαίνει μέσω της μετατροπής σε 5-υδροξυλμεθυλοκυτοσίνης (5hmC) που καθοδηγείται από υψηλά επίπεδα ενζύμων της δέκα-ένδεκα διοξυγονάσης TET1 και TET2.

Τα γονιδιώματα είναι περισσότερα από το άθροισμα γονιδίων ενός οργανισμού και έχουν χαρακτηριστικά που μπορούν να μετρηθούν και να μελετηθούν χωρίς παραπομπή σε λεπτομέρειες οποιονδήποτε συγκεκριμένων γονιδίων και των προϊόντων τους. Οι ερευνητές συγκρίνουν χαρακτηριστικά όπως καρυότυπος (αριθμός χρωμοσωμάτων)), μέγεθος γονιδίου, σειρά γονιδίου, προτίμηση χρήσης κωδικονίων (codon usage bias), και περιεχόμενο γουανίνης-κυτοσίνης (GC-content) για να προσδιορίσουν ποιοι μηχανισμοί θα μπορούσαν να έχουν παράξει τη μεγάλη ποικιλία των γονιδιωμάτων που υπάρχουν σήμερα. Ο διπλασιασμός γονιδίου παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του γονιδιώματος. Ο διπλασιασμός μπορεί να εκτείνεται από την επέκταση των βραχέων διαδοχοκών επαναλήψεων (short tandem repeats), τον διπλασιασμό συστοιχίας γονιδίων και μέχρι τον διπλασιασμό ολόκληρων χρωμοσωμάτων ή ακόμα ολόκληρων γονιδιωμάτων. Τέτοιοι διπλασιασμοί είναι προφανώς βασικοί στη δημιουργία καινοτομιών. Η Οριζόντια μεταφορά γονιδίου επικαλείται για να εξηγήσει πώς υπάρχει συχνά μια ακραία ομοιότητα μεταξύ μικρών τμημάτων των γονιδιωμάτων δύο οργανισμών που κατά τα άλλα έχουν πολύ μακρινή συγγένεια. Η οριζόντια μεταφορά γονιδίων φαίνεται να είναι κοινή μεταξύ πολλών μικροοργανισμών. Επίσης, τα ευκαρυωτικά κύτταρα φαίνεται να έχουν βιώσει μεταφορά κάποιου γενετικού υλικού από τα χλωροπλαστικά και τα μιτοχονδριακά γονιδιώματά τους στα πυρηνικά χρωμοσώματά τους. Τα πρόσφατα εμπειρικά δεδομένα προτείνουν ότι ένας σημαντικός ρόλος ιών και υποιικών δικτύων RNA αντιπροσωπεύει έναν κύριο οδηγό ρόλο στη δημιουργία γενετικής καινοτομίας και φυσικής επεξεργασίας γονιδιώματος.