Tamaño del genoma
Cantidad de ADN contenida en un genoma
Rangos de tamaño del genoma (en pares de bases) de varias formas de vida

El tamaño del genoma es la cantidad total de ADN contenida en una copia de un único genoma completo . Normalmente se mide en términos de masa en picogramos (billonésimas (10 −12 ) de un gramo , abreviado pg) o con menos frecuencia en daltons , o como el número total de pares de bases de nucleótidos , normalmente en megabases (millones de pares de bases, abreviados Mb o Mbp). Un picogramo es igual a 978 megabases. [1] En los organismos diploides , el tamaño del genoma se utiliza a menudo indistintamente con el término valor C.

La complejidad de un organismo no es directamente proporcional al tamaño de su genoma; el contenido total de ADN varía ampliamente entre taxones biológicos. Algunos organismos unicelulares tienen mucho más ADN que los humanos, por razones que aún no están claras (véase ADN basura y valor C ).

Variación en el tamaño del genoma y el contenido genético

Con la aparición de diversas técnicas moleculares en los últimos 50 años, se han analizado los tamaños del genoma de miles de eucariotas , y estos datos están disponibles en bases de datos en línea para animales, plantas y hongos (ver enlaces externos). El tamaño del genoma nuclear se mide típicamente en eucariotas utilizando mediciones densitométricas de núcleos teñidos con Feulgen (anteriormente utilizando densitómetros especializados, ahora más comúnmente utilizando análisis de imágenes computarizadas [2] ) o citometría de flujo . En procariotas , la electroforesis en gel de campo pulsado y la secuenciación completa del genoma son los métodos predominantes de determinación del tamaño del genoma.

Se sabe que el tamaño del genoma nuclear varía enormemente entre las especies eucariotas. En los animales, varía más de 3.300 veces, y en las plantas terrestres difiere en un factor de aproximadamente 1.000. [3] [4] Se ha informado que los genomas de los protistas varían más de 300.000 veces en tamaño, pero el extremo superior de este rango ( Amoeba ) ha sido puesto en duda. [ ¿por quién? ] En los eucariotas (pero no en los procariotas), el tamaño del genoma no es proporcional al número de genes presentes en el genoma, una observación que se consideró totalmente contraintuitiva antes del descubrimiento del ADN no codificante y que, como resultado, se conoció como la " paradoja del valor C ". Sin embargo, aunque ya no hay ningún aspecto paradójico en la discrepancia entre el tamaño del genoma y el número de genes, el término sigue siendo de uso común. Por razones de clarificación conceptual, un autor ha sugerido que los diversos enigmas que quedan pendientes con respecto a la variación del tamaño del genoma constituyen más exactamente un enigma (el llamado " enigma del valor C ").

El tamaño del genoma se correlaciona con una variedad de características mensurables a nivel de célula y organismo, incluyendo el tamaño celular, la tasa de división celular y, dependiendo del taxón , el tamaño corporal, la tasa metabólica , la tasa de desarrollo, la complejidad de los órganos , la distribución geográfica o el riesgo de extinción . [3] [4] Con base en los datos del genoma completamente secuenciado disponibles actualmente (a abril de 2009), el número de genes transformado en logaritmo forma una correlación lineal con el tamaño del genoma transformado en logaritmo en bacterias, arqueas, virus y orgánulos combinados, mientras que se observa una correlación no lineal (logaritmo seminatural) para los eucariotas. [5] Aunque esto último contrasta con la visión anterior de que no existe correlación para los eucariotas, la correlación no lineal observada para los eucariotas puede reflejar un aumento desproporcionadamente rápido del ADN no codificante en genomas eucariotas cada vez más grandes. Aunque los datos genómicos secuenciados están prácticamente sesgados hacia los genomas pequeños, lo que puede comprometer la precisión de la correlación derivada empíricamente, y aún queda por obtener una prueba definitiva de la correlación mediante la secuenciación de algunos de los genomas eucariotas más grandes, los datos actuales no parecen descartar una posible correlación.

Tamaño del genoma humano

Cariograma esquemático de un ser humano. Muestra 22 cromosomas homólogos , tanto la versión femenina (XX) como la masculina (XY) del cromosoma sexual (abajo a la derecha), así como el genoma mitocondrial (a escala en la parte inferior izquierda). La escala azul a la izquierda de cada par de cromosomas (y del genoma mitocondrial) muestra su longitud en términos de millones de pares de bases de ADN .

En los seres humanos, el genoma nuclear diploide femenino total por célula se extiende por 6,37 pares de gigabases (Gbp), tiene 208,23 cm de largo y pesa 6,51 picogramos (pg). [6] Los valores masculinos son 6,27 Gbp, 205,00 cm, 6,41 pg. [6] Cada polímero de ADN puede contener cientos de millones de nucleótidos, como en el cromosoma 1. El cromosoma 1 es el cromosoma humano más grande con aproximadamente 220 millones de pares de bases , y sería85 mm de largo si se endereza. [7]

En los eucariotas , además del ADN nuclear , también existe el ADN mitocondrial (ADNmt), que codifica ciertas proteínas utilizadas por las mitocondrias. El ADNmt suele ser relativamente pequeño en comparación con el ADN nuclear. Por ejemplo, el ADN mitocondrial humano forma moléculas circulares cerradas, cada una de las cuales contiene 16.569 [8] [9] pares de bases de ADN, [10] y cada una de estas moléculas contiene normalmente un conjunto completo de genes mitocondriales. Cada mitocondria humana contiene, en promedio, aproximadamente 5 moléculas de ADNmt. [10] Cada célula humana contiene aproximadamente 100 mitocondrias, lo que da un número total de moléculas de ADNmt por célula humana de aproximadamente 500. [10] Sin embargo, la cantidad de mitocondrias por célula también varía según el tipo de célula, y un óvulo puede contener 100.000 mitocondrias, que corresponden a hasta 1.500.000 copias del genoma mitocondrial (que constituye hasta el 90% del ADN de la célula). [11]

Reducción del genoma

Tamaño del genoma comparado con el número de genes. Gráfica logarítmica del número total de proteínas anotadas en genomas enviados a GenBank en función del tamaño del genoma. Basado en datos de informes genómicos del NCBI .

La reducción del genoma , también conocida como degradación del genoma , es el proceso por el cual el genoma de un organismo se encoge en relación con el de sus ancestros. Los genomas fluctúan de tamaño regularmente y la reducción del tamaño del genoma es más significativa en las bacterias .

Los casos más significativos desde el punto de vista evolutivo de reducción del genoma se pueden observar en los orgánulos eucariotas que se sabe que derivan de las bacterias: las mitocondrias y los plástidos . Estos orgánulos descienden de endosimbiontes primordiales , que eran capaces de sobrevivir dentro de la célula huésped y que la célula huésped también necesitaba para sobrevivir. Muchas mitocondrias actuales tienen menos de 20 genes en todo su genoma, mientras que una bacteria moderna de vida libre generalmente tiene al menos 1.000 genes. Al parecer, muchos genes se han transferido al núcleo del huésped , mientras que otros simplemente se han perdido y su función ha sido reemplazada por procesos del huésped.

Otras bacterias se han convertido en endosimbiontes o patógenos intracelulares obligados y, como resultado, han experimentado una extensa reducción del genoma. Este proceso parece estar dominado por la deriva genética resultante del pequeño tamaño de la población , las bajas tasas de recombinación y las altas tasas de mutación , en oposición a la selección de genomas más pequeños. [ cita requerida ] Algunos bacterioplancton marinos de vida libre también muestran signos de reducción del genoma, que se plantea la hipótesis de que están impulsados ​​por la selección natural [12] [13] [14] . Por el contrario, los procariotas terrestres parecen tener tamaños de genoma más grandes que los procariotas acuáticos y asociados al huésped (un promedio de 3,7 Mbp para los terrestres, 3,1 Mbp para los acuáticos y 3,0 Mbp para los asociados al huésped) [15] .

En especies endosimbióticas obligadas

Las especies endosimbióticas obligadas se caracterizan por una incapacidad total para sobrevivir fuera del entorno de su hospedador . Estas especies se han convertido en una amenaza considerable para la salud humana, ya que a menudo son capaces de evadir los sistemas inmunológicos humanos y manipular el entorno del hospedador para adquirir nutrientes. Una explicación común para estas habilidades manipuladoras es su estructura genómica consistentemente compacta y eficiente. Estos pequeños genomas son el resultado de pérdidas masivas de ADN extraño, un fenómeno que se asocia exclusivamente con la pérdida de una etapa de vida libre. Hasta el 90% del material genético puede perderse cuando una especie hace la transición evolutiva de una vida libre a un estilo de vida intracelular obligado. Durante este proceso, el futuro parásito se somete a un entorno rico en metabolitos donde de alguna manera necesita esconderse dentro de la célula hospedadora, esos factores reducen la retención y aumentan la deriva genética, lo que conduce a una aceleración de la pérdida de genes no esenciales. [16] [17] [18] Ejemplos comunes de especies con genomas reducidos incluyen Buchnera aphidicola , Rickettsia prowazekii y Mycobacterium leprae . Un endosimbionte obligado de chicharritas , Nasuia deltocephalinicola , tiene el genoma más pequeño conocido actualmente entre los organismos celulares, con 112 kb. [19] A pesar de la patogenicidad de la mayoría de los endosimbiontes, algunas especies intracelulares obligadas tienen efectos positivos en la aptitud de sus huéspedes.

El modelo de evolución reductiva se ha propuesto como un esfuerzo por definir las similitudes genómicas observadas en todos los endosimbiontes obligados. [20] Este modelo ilustra cuatro características generales de los genomas reducidos y las especies intracelulares obligadas:

  1. "racionalización del genoma" resultante de una selección relajada de genes que son superfluos en el entorno intracelular;
  2. un sesgo hacia las deleciones (en lugar de las inserciones), que afecta en gran medida a los genes que han sido alterados por la acumulación de mutaciones ( pseudogenes ); [21]
  3. muy poca o ninguna capacidad para adquirir nuevo ADN; y
  4. reducción considerable del tamaño efectivo de la población en poblaciones endosimbióticas, particularmente en especies que dependen de la transmisión vertical de material genético.

Con base en este modelo, es claro que los endosimbiontes enfrentan desafíos adaptativos diferentes a los de las especies de vida libre y, como surge del análisis entre diferentes parásitos, sus inventarios de genes son extremadamente diferentes, lo que nos lleva a la conclusión de que la miniaturización del genoma sigue un patrón diferente para los diferentes simbiontes. [22] [23] [24]

Conversión de picogramos (pg) a pares de bases (bp)

número de pares de bases = masa en pg × 9,78 × 10 8 {\displaystyle {\text{número de pares de bases}}={\text{masa en pg}}\times 9.78\times 10^{8}}

o simplemente:

1 pág. = 978  mbp-es {\displaystyle 1{\text{pg}}=978{\text{Mbp}}} [1]

La regla de Drake

En 1991, John W. Drake propuso una regla general: la tasa de mutación dentro de un genoma y su tamaño están inversamente correlacionados. [25] Se ha comprobado que esta regla es aproximadamente correcta para genomas simples, como los de los virus de ADN y los organismos unicelulares. Se desconoce su fundamento.

Se ha propuesto que el pequeño tamaño de los virus de ARN está vinculado a una relación tripartita entre fidelidad de replicación, tamaño del genoma y complejidad genética. La mayoría de los virus de ARN carecen de una función de corrección de errores de ARN, lo que limita su fidelidad de replicación y, por lo tanto, el tamaño de su genoma. Esto también se ha descrito como la "paradoja de Eigen". [26] Una excepción a la regla de los tamaños pequeños del genoma en los virus de ARN se encuentra en los Nidovirus . Estos virus parecen haber adquirido una exorribonucleasa 3' a 5' (ExoN) que ha permitido un aumento en el tamaño del genoma. [27]

Miniaturización del genoma y tamaño óptimo

En 1972 Michael David Bennett [28] planteó la hipótesis de que existía una correlación entre el contenido de ADN y el volumen nuclear, mientras que Commoner y van't Hoff y Sparrow antes que él postularon que incluso el tamaño celular y la duración del ciclo celular estaban controlados por la cantidad de ADN. [29] [30] Teorías más recientes nos han llevado a discutir sobre la posibilidad de la presencia de un mecanismo que limita físicamente el desarrollo del genoma a un tamaño óptimo. [31]

Estas explicaciones han sido cuestionadas por el artículo de Cavalier-Smith [32],   donde el autor señaló que la forma de entender la relación entre el tamaño del genoma y el volumen celular estaba relacionada con la teoría esquelética. El núcleo de esta teoría está relacionado con el volumen celular, determinado por un equilibrio de adaptación entre las ventajas y desventajas de un mayor tamaño celular, la optimización de la relación núcleo:citoplasma (ratio carioplasmático) [33] [34] y el concepto de que los genomas más grandes son más propensos a la acumulación de transposones duplicados como consecuencia de un mayor contenido de ADN esquelético no codificante. [32] Cavalier-Smith también propuso que, como reacción consecuente de una reducción celular, el núcleo será más propenso a una selección a favor de la deleción en comparación con la duplicación. [32]

Desde el punto de vista económico, dado que el fósforo y la energía son escasos, la reducción del ADN debería ser siempre el objetivo de la evolución, a menos que se obtenga un beneficio. La eliminación aleatoria será entonces principalmente perjudicial y no selectiva debido a la reducción de la aptitud obtenida, pero ocasionalmente la eliminación también será ventajosa. Este equilibrio entre economía y acumulación de ADN no codificante es la clave para el mantenimiento de la proporción carioplasmática.

Mecanismos de miniaturización del genoma

La pregunta básica detrás del proceso de miniaturización del genoma es si ocurre a través de grandes pasos o debido a una erosión constante del contenido genético. Para evaluar la evolución de este proceso es necesario comparar un genoma ancestral con aquel en el que se supone que ocurrió la contracción. Gracias a la similitud entre el contenido genético de Buchnera aphidicola y la bacteria entérica Escherichia coli , el 89% de identidad para el 16S rDNA y el 62% para los genes ortólogos fue posible arrojar luz sobre el mecanismo de miniaturización del genoma. [35] El genoma del endosimbionte B. aphidicola se caracteriza por un tamaño de genoma que es siete veces más pequeño que E. coli (643 kb en comparación con 4,6 Mb) [36] [37] y puede verse como un subconjunto del inventario genético de las bacterias entéricas. [37] De la confrontación de los dos genomas surgió que algunos genes persisten como parcialmente degradados. [37] indicando que la función se perdió durante el proceso y que los eventos consecuentes de erosión acortaron la longitud como se documentó en Rickettsia . [38] [39] [40] Esta hipótesis se confirma con el análisis de los pseudogenes de Buchnera donde el número de deleciones fue más de diez veces mayor en comparación con la inserción. [40]

En Rickettsia prowazekii , al igual que con otras bacterias de genoma pequeño, este endosimbionte mutualista ha experimentado una gran reducción de la actividad funcional con una excepción importante en comparación con otros parásitos aún conservan la capacidad biosintética de producción de aminoácidos necesarios para su huésped. [41] [42] [37] Los efectos comunes de la reducción del genoma entre este endosimbionte y los otros parásitos son la reducción de la capacidad de producir fosfolípidos, reparación y recombinación y una conversión general de la composición del gen a un contenido más rico en AT [43] debido a mutaciones y sustituciones. [16] [41] La evidencia de la eliminación de la función de reparación y recombinación es la pérdida del gen rec A, gen involucrado en la vía de la recombinasa . Este evento ocurrió durante la eliminación de una región más grande que contenía diez genes para un total de casi 10 kb. [37] [41] La misma creencia se encontró con uvr A, uvr B y uvr C, genes que codifican enzimas de escisión involucradas en la reparación del ADN dañado debido a la exposición a rayos UV. [35]

Uno de los mecanismos más plausibles para explicar la reducción del genoma es el reordenamiento cromosómico, ya que la inserción o eliminación de una porción más grande de la secuencia se observa más fácilmente durante la recombinación homóloga en comparación con la ilegítima, por lo tanto, la propagación de los elementos transponibles afectará positivamente la tasa de eliminación. [32] La pérdida de esos genes en las primeras etapas de la miniaturización no solo cumple esta función, sino que también debe desempeñar un papel en la evolución de las eliminaciones posteriores. Las evidencias del hecho de que se produjo un evento de eliminación más grande antes de una eliminación más pequeña surgieron de la comparación del genoma de Bucknera y un ancestro reconstruido, donde los genes que se han perdido de hecho no están dispersos aleatoriamente en el gen del ancestro, sino agregados y la relación negativa entre el número de genes perdidos y la longitud de los espaciadores. [35] El evento de pequeñas indeles locales juega un papel marginal en la reducción del genoma [44], especialmente en las primeras etapas, donde un número mayor de genes se volvió superfluo. [45] [35]

En cambio, los eventos aislados ocurrieron debido a la falta de presión de selección para la retención de genes, especialmente si formaban parte de una vía que perdió su función durante una deleción previa. Un ejemplo de esto es la eliminación de rec F, gen requerido para la función de rec A, y sus genes flanqueantes. [46] Una de las consecuencias de la eliminación de tal cantidad de secuencias afectó incluso a la regulación de los genes restantes. La pérdida de una gran sección de genomas podría, de hecho, conducir a una pérdida de secuencias promotoras. Esto, de hecho, podría impulsar la selección para la evolución de regiones policistrónicas con un efecto positivo tanto para la reducción de tamaño [47] como para la eficiencia de la transcripción. [48]

Evidencia de miniaturización del genoma

Un ejemplo de la miniaturización del genoma ocurrió en los microsporidios , un parásito intracelular anaeróbico de los artrópodos evolucionado a partir de hongos aeróbicos.

Durante este proceso se formaron los mitosomas [49] como consecuencia de la reducción de las mitocondrias a una reliquia desprovista de genomas y actividad metabólica excepto para la producción de centros de hierro y azufre y la capacidad de entrar en las células huésped. [50] [51] A excepción de los ribosomas , también miniaturizados, muchos otros orgánulos se han perdido casi por completo durante el proceso de formación del genoma más pequeño encontrado en los eucariotas. [32] A partir de su posible ancestro, un hongo zigomicotino , los microsporidios encogieron su genoma eliminando casi 1000 genes y redujeron incluso el tamaño de las proteínas y los genes codificantes de proteínas. [52] Este proceso extremo fue posible gracias a la selección ventajosa para un tamaño celular menor impuesta por el parasitismo.

Otro ejemplo de miniaturización está representado por la presencia de nucleomorfos , núcleos esclavizados, en el interior de la célula de dos algas diferentes, criptofitas y clorarachneas . [53]

Los nucleomorfos se caracterizan por tener uno de los genomas más pequeños conocidos (551 y 380 kb) y, como se ha observado en el caso de los microsporidios, algunos genomas presentan una reducción notable en longitud en comparación con otros eucariotas debido a una ausencia virtual de ADN no codificante. [32] El factor más interesante está representado por la coexistencia de esos pequeños núcleos dentro de una célula que contiene otro núcleo que nunca experimentó tal reducción del genoma. Además, incluso si las células huésped tienen volúmenes diferentes de una especie a otra y una variabilidad consecuente en el tamaño del genoma, el nucleomorfo permanece invariable, lo que denota un doble efecto de selección dentro de la misma célula.

Véase también

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Lectura adicional

  • Evolución de las Chlamydiaceae
  • Andersson JO Andersson SG; Andersson (1999). "La degradación del genoma es un proceso continuo en Rickettsia". Biología molecular y evolución . 16 (9): 1178–1191. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026208 . PMID  10486973. Archivado desde el original el 17 de abril de 2005 . Consultado el 18 de octubre de 2006 .
  • Base de datos del tamaño del genoma animal
  • Base de datos de valores C del ADN de plantas Archivado el 10 de marzo de 2019 en Wayback Machine
  • Base de datos del tamaño del genoma de los hongos
  • Base de datos de hongos Archivado el 10 de marzo de 2008 en Wayback Machine — por CBS
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