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生命密码:巨型基因组有多大?

【摘要】:同时,在基因组测序和组装领域,挑战解码最大的基因组序列也是人们孜孜不倦地解读大自然生命杰作的重要关注点。)事实上,巨型基因组并不多见,大多数真核基因组都比较小。受当前检测技术限制,目前关于这些巨型基因组的结构和功能远未深入研究。以迄今为止报道的最大的基因组日本重楼为例,其基因组大小接近150Gb,约为人类基因组的50倍。

到目前为止,已发现的最小生命基因组(不包括病毒)只有0.0005pg(0.5Mb),来自布氏菌属;已报道的最小真核生命基因组来自寄生在一些哺乳动物的微孢子虫,约为2.25Mb;而最大的基因组来自植物界的日本重楼,也叫衣笠草,约为148.8Gb(前纪录保持者石花肺鱼的基因组大小约为132.8Gb),最大的真核基因组与最小的真核基因组之间的差距约为64000倍。这些记录基本达到了一个能行使正常生存繁殖功能的生命极限。

过去几十年,合成生物学致力于能够合成最小的功能基因组,这一直以来是人类试图证明“上帝扮演者”身份的重要尝试。同时,在基因组测序和组装领域,挑战解码最大的基因组序列也是人们孜孜不倦地解读大自然生命杰作的重要关注点。在这里,我们更多地探讨一下“巨型基因组”的问题,且主要关注基因组大小多样性最丰富的植物类群。

巨型基因五大门类
(横轴为各门类中基因大小的数值范围;横向排布的轴线宽度代表各门类物种基因组不同数值大小出现的相对频率。数据引自Hidalgo et al.,Is There an Upper Limit to Genome Size?)(www.chuimin.cn)

事实上,巨型基因组并不多见,大多数真核基因组都比较小(真核生物多样性极高,动植物仅仅是真核生命中极小的两个分支)。纵观所有真核生物,确有超过十多个物种基因组大小超过了100Gb(约占已知基因组大小物种的0.09%),来源于5个真核门类:一个来源于蕨类(Psilotales),两个来源于开花植物(Liliales和Santalales),两个来源于脊椎动物(Lepidosireniformes/lungfish和Urodela/salamanders)。受当前检测技术限制,目前关于这些巨型基因组的结构和功能远未深入研究。

以迄今为止报道的最大的基因组日本重楼为例,其基因组大小接近150Gb,约为人类基因组的50倍。而实际上,日本重楼是个异源杂合的8倍体,这也暗示其细胞核中包含了将近1200Gb(150Gb×8)的碱基大小。一个碱基的长度约为0.34纳米,人类基因组单倍体的所有碱基连在一起约为1米(整个二倍体细胞的碱基连接起来是2米),而日本重楼单倍体的所有碱基连在一起长达50米,单个细胞核所有DNA碱基连在一起长达400米。很难想象这么巨量的遗传物质如何有效地组装在一个只有几微米级别的细胞核里。日本重楼生长速度极慢,这与其巨量遗传物质在每次DNA复制和细胞分裂中完成一次周期需要消耗的能量之大有关系。与此同时,这也引发我们进行相应的思考:150Gb的基因组大小是否是生命能承受的极限?单条染色体大小的极限会是多少?