Изменчивость размеров геномов живых организмов охватывает почти семь (!) порядков — это от 150–200 тысяч пар нуклеотидных остатков (п.н.о.) у внутриклеточных бактерий (см. «Исследователи нашли наименьший клеточный геном» [1]) до почти 700 млрд. п.н.о. у некоторых амёб. Например, длина недавно прочтённого генома японского вороньего глаза — около 150 млрд. п.н.о. (см. «Биологи расшифровали рекордный геном» [2]), что в 50 раз больше длины генома человека. (Длина последнего — около 3 млрд. п.н.о., а число кодирующих генов в нём — лишь немногим больше 20 000 [3].)

В то же время, прямой связи между сложностью развития организма и размером его генома не найдено — скажем, геномы нематоды и человека сопоставимы по числу генов, а у многих растений длина ДНК во много раз превосходит эту величину. Недавно высказана оригинальная гипотеза насчёт связи длины генома и уровня организации организма — но такая связь появляется только в том случае, если брать не просто размер генома, а минимальный размер генома среди представителей этого уровня организации [4].

Самыми маленькими геномами могут обладать паразитические организмы — наиболее ярким примером тут являются вирусы, но то же самое верно и для бактерий, которые живут исключительно внутри клеток эукариот, и для «аналогичных» паразитов-эукариот, никогда не покидающих цитоплазмы своих «бóльших» собратьев. Самым маленьким геномом среди свободноживущих (непаразитических) эукариот обладает сумчатый гриб Ashbya gossypii (9,2 млн. п.н.о.).

Исследователи из лаборатории Патрика Келинга (Patrick Keeling), специализирующейся на эволюционной биологии простейших, открыли новый рекорд «малости» генома: отсеквенированная ими последовательность ДНК из ядра паразитического гриба Encephalitozoon intestinalis имеет длину всего 2,3 миллиона пар нуклеотидов и кодирует, по оценкам, не более 1833 белковых молекул [5]. (Эта цифра примерно на 20% меньше предыдущего рекорда, принадлежащего родственному организму E. cuniculi.)

Эти «родственники» вызывают микроспоридоз — инфекционное заболевание, передающееся через споры этих паразитических грибов. Часто микроспоридоз протекает в форме кишечной инфекции, но для людей с нормальным иммунитетом он в большинстве случаев неопасен: в основном микроспоридии вызывают оппортунистические инфекции у людей с иммунодефицитом, в частности — у больных СПИДом (подвержены 10–40% инфицированных).

«С одного края спектра, размеру геномов практически нет предела, однако в другую сторону — не могут же они уменьшиться меньше чем до нуля, — говорит Патрик Келинг, руководивший исследованием. — Вопрос, не дававший нам покоя — это как из и так уже более чем миниатюрного генома E. cuniculi удалось выкинуть ещё что-то?» [6].

Для биологов уже не новость, что микроспоридии обладают самыми маленькими ядерными геномами — позади оказываются и малярийный плазмодий, и пикопланктон. Достигается это не только за счёт уменьшения числа генов как таковых, но и в результате сверхкомпактной их упаковки — процент «генетического мусора» тут уникально низок, а часть генов имеет перекрывающуюся рамку считывания. Мало того, высоко консервативным — более консервативным, чем последовательности самих генов, — оказывается взаимное расположение генов на хромосомах (а их у E. intestinalis 11) и последовательности интронов.

Сравнение генетических последовательностей E. intestinalis и E. cuniculi показало, что почти все 20% «подстриженной» ДНК приходится на субтеломерные области хромосом (то есть, самые их «кончики»). Оказалось, что эти участки у E. cuniculi почти не содержат уникальных генов — там находятся либо гены-дупликаты, либо «сиротские» гены, активность которых в плане транскрипции или синтеза белкового продукта не подтверждена на практике. Центральные области («ядра») хромосом подверглись существенно более умеренному редактированию (рис. 1); в целом же, число кодируемых белков сократилось не очень сильно.

Исследователи придерживаются мнения, что уж этот-то результат должен быть близок к абсолютному минимуму, — сравнивая различия между «концевыми» и «ядерными» областями хромосом, они установили, что последним меняться уже просто некуда. Правда, для учёных так и не стало понятным, который из организмов сохранил большее сходство с общим предком, а, значит, остался открытым и вопрос: направлена ли эволюция облигатных паразитов на сокращение или удлинение геномной последовательности?

Литература

1. Исследователи нашли наименьший клеточный геном. (2006). Membrana;
2. Биологи расшифровали рекордный геном. (2010). Membrana;
3. В полку генов убыло;
4. Элементы: «Размер геномов в ходе эволюции жизни на Земле увеличивался ускоренными темпами»;
5. Nicolas Corradi, Jean-François Pombert, Laurent Farinelli, Elizabeth S. Didier, Patrick J. Keeling. (2010). The complete sequence of the smallest known nuclear genome from the microsporidian Encephalitozoon intestinalis. Nat Comms. 1, 1-7;
6. Genomic „haircut“ makes world’s tiniest genome even smaller. (2010). ScienceDaily.