Το παράδοξο της C-Value:Η ύπαρξη ενός μεγαλύτερου γονιδιώματος κάνει έναν οργανισμό πιο πολύπλοκο;

Το παράδοξο της τιμής C είναι ότι το μέγεθος του γονιδιώματος (η ποσότητα του DNA) δεν συσχετίζεται με το πόσο πολύπλοκος είναι ένας οργανισμός. Με άλλα λόγια, το παράδοξο της τιμής C σημαίνει ότι ένα μεγαλύτερο γονιδίωμα δεν οδηγεί πάντα σε μεγαλύτερη πολυπλοκότητα.

Κατά τη διάρκεια μιας διάλεξης γενετικής στο κολέγιο, κάποιος ρώτησε:«Έχουν οι άνθρωποι το περισσότερο DNA;». Νόμιζα ότι ήταν μια ανόητη ερώτηση. Σκέφτηκα λάθος. Ο καθηγητής μας γέλασε, «Όχι πολύ. Στην πραγματικότητα, ένα ιαπωνικό λουλούδι έχει γονιδίωμα 50 φορές μεγαλύτερο από το δικό μας».

Όλη η τάξη, που ήταν έτοιμη να ακούσει ένα ηχηρό «ναι», που εδραιώνει την ανθρώπινη δόξα, την κοίταξε με δυσπιστία. Πώς και γιατί ένα φυτό θα έχει περισσότερο DNA από τον άνθρωπο, πολύ πιο εξελιγμένα και πολύπλοκα θηλαστικά; Υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ της ποσότητας του DNA που έχει ένας οργανισμός και της πολυπλοκότητάς του; Με άλλα λόγια, έχει σημασία το μέγεθος;

Η σύντομη απάντηση είναι:ναι , έχει σημασία. Αλλά και όχι , δεν το κάνει.

Τι είναι το παράδοξο της τιμής C;

Το παράδοξο της τιμής C είναι ότι το μέγεθος του γονιδιώματος (η ποσότητα του DNA) δεν συσχετίζεται με το πόσο πολύπλοκος είναι ένας οργανισμός. Με άλλα λόγια, το παράδοξο της τιμής C σημαίνει ότι ένα μεγαλύτερο γονιδίωμα δεν οδηγεί πάντα σε μεγαλύτερη πολυπλοκότητα.

Θα περίμενε κανείς ότι η πολυπλοκότητα απαιτεί περισσότερο DNA για να δημιουργηθεί. Ένα μεγαλύτερο γονιδίωμα, ο όρος για ολόκληρη τη βιβλιοθήκη DNA σε έναν οργανισμό, θα ήταν καλύτερα εξοπλισμένο για να υποστηρίξει πολύπλοκη ζωή. Η εξέλιξη από τη μικροσκοπική ζωή, όπως τα βακτήρια και τα αρχαία, σε μεγαλύτερη και πιο πολυσύνθετη ζωή, όπως οι άνθρωποι, απαιτεί περισσότερες πληροφορίες και επομένως περισσότερο DNA.

Αυτό είναι αλήθεια.

Οι ευκαρυώτες, οργανισμοί με πυρήνα για να στεγάσουν το γενετικό τους υλικό (DNA), έχουν μεγαλύτερα γονιδιώματα σε σύγκριση με τους προκαρυώτες (οργανισμούς χωρίς πυρήνα), όπως τα βακτήρια. E.coli, Ο καλύτερος φίλος κάθε μικροβιολόγου, έχει μόνο 4 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Η μύγα, Drosophila Melanogaster, από την άλλη πλευρά, έχει 140 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Μια μύγα είναι σαφώς πιο περίπλοκη από ένα βακτήριο.

Ωστόσο, αυτή η λογική δεν ισχύει όταν συγκρίνει κανείς τα γονιδιώματα των ευκαρυωτών.

Σκεφτείτε τους ανθρώπους και το μαρμάρινο πνευμονόψαρο. Το μαρμάρινο πνευμονόψαρο κατέχει τη δεύτερη θέση στον διαγωνισμό για το «μεγαλύτερο γονιδίωμα», με 130 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Οι άνθρωποι, για σύγκριση, έχουν μόνο 4 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων DNA.

Ωστόσο, οι άνθρωποι είναι σαφώς πιο περίπλοκοι από ένα μαρμάρινο lungfish, με τα εξελιγμένα φυσιολογικά μας συστήματα και τους τρόπους επικοινωνίας, κίνησης κ.λπ. Γιατί τότε ένα ψάρι έχει 40 φορές περισσότερο DNA;

Συγκριτικά μεγέθη γονιδιώματος. Σημειώστε ότι υπάρχουν ορισμένα αμφίβια, ψάρια και φυτά με μεγαλύτερα μεγέθη γονιδιώματος από τα θηλαστικά (Photo Credit :Abizar/Wikimedia Commons)

Πώς ανακαλύφθηκε το παράδοξο της τιμής C;

Το 1971, η C.A. Ο Thomas Jr., ένας γενετιστής, ονόμασε αυτό το πρόβλημα παράδοξο της τιμής C . Η τιμή C είναι η ποσότητα του DNA σε έναν απλοειδή πυρήνα (μετρούμενη σε πικογράμματα), όπως τα σπερματοζωάρια. Τα κανονικά, αυτοσωμικά κύτταρα έχουν δύο σύνολα του DNA—μία μητρική και μία πατρική. Αυτά τα διπλοειδή Τα κύτταρα έχουν δύο χρωμοσώματα που συνεργάζονται. Σε αυτή την περίπτωση, ένα αυτοσωμικό ανθρώπινο κύτταρο έχει DNA αξίας 6 δισεκατομμυρίων ζευγών βάσεων.

Γιατί συμβαίνει το παράδοξο της τιμής C;

Όλο το DNA δεν είναι ίσο.

Το σύνολο του γονιδιώματος δεν έχει κρίσιμες πληροφορίες για την επιβίωση.

Τα γονίδια είναι τα αστέρια του γονιδιώματος. Είναι τα τμήματα του DNA που κωδικοποιούν μέρη του κυτταρικού μηχανισμού, κυρίως πρωτεΐνες και RNA. Πολλοί επιστήμονες υπέθεσαν ότι περισσότερο DNA σήμαινε περισσότερα γονίδια που σήμαινε περισσότερη πρωτεΐνη που θα μπορούσε να κάνει περισσότερη δουλειά για να δημιουργήσει ένα ζωικό σύμπλεγμα.

Αλλά αυτό δεν ισχύει. Υπάρχουν τμήματα του DNA που δεν περιέχουν γονίδια ή άλλα μέρη που βοηθούν τη λειτουργία ενός γονιδίου.

Η Susume Ohno, μια γενετιστής με εντυπωσιακό μουστάκι στο τιμόνι, το ονόμασε «junk DNA». Στους ευκαρυώτες, αυτό το υποτιθέμενο άχρηστο DNA καταλαμβάνει πολύ χώρο. Το μισό ανθρώπινο γονιδίωμα είναι σκουπίδια, ενώ το μαρμαρωμένο πνευμονόψαρο χρειάζεται μόνο το 1/36 του τεράστιου γονιδιώματός του.

Paris japonica , το φυτό με το μεγαλύτερο γονιδίωμα από όλες τις μορφές ζωής. Έχει περίπου 149 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων, 50 φορές περισσότερα από το ανθρώπινο γονιδίωμα. (Φωτογραφία:alpsdake/Wikimedia Commons)

Τι είναι το ανεπιθύμητο DNA;

Το ανεπιθύμητο DNA, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, είναι το DNA που δεν περιέχει απαραίτητες πληροφορίες για την επιβίωση του οργανισμού και είναι αποτέλεσμα μεταλλάξεων. Ορισμένες μεταλλάξεις είναι μνημειώδεις, όπως η μετάλλαξη διπλασιασμού ολόκληρου του γονιδιώματος, όπου ολόκληρο το γονιδίωμα διπλασιάζεται.

Τρεις διαφορετικοί τύποι μεταλλάξεων που μπορούν να συμβούν σε ένα κύτταρο. 1 – διαγραφή, 2 – Διπλασιασμός, 3 – Αντιστροφή. Στα 1 και 2, η ποσότητα του DNA μεταβάλλεται. Εάν αυτό συμβεί σε έναν γαμίτη, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μόνιμη αλλαγή στο μέγεθος του γονιδιώματος. (Φωτογραφία:Zephyris/Wikimedia Commons)

Μεγάλο μέρος του Junk DNA δεν έχει καμία άμεση επίπτωση στην πολυπλοκότητα ενός ζώου. Υπάρχουν ενδείξεις ότι το ανεπιθύμητο DNA παίζει ορισμένες λειτουργίες στους οργανισμούς, αλλά σε ποιο βαθμό και πόσο από το ανεπιθύμητο DNA είναι σημαντικό για την πολυπλοκότητα είναι ακόμα άγνωστο.

Ωστόσο, τα ζώα με τα μεγαλύτερα γονιδιώματα έχουν πολύ ανεπιθύμητο DNA που δεν φαίνεται να συμβάλλει στην πολυπλοκότητά τους.

Tl;dr

Οι ευκαρυώτες έχουν μεγαλύτερα γονιδιώματα από τα προκαρυωτικά (βακτήρια), αλλά οι πιο σύνθετοι ευκαρυώτες δεν έχουν μεγαλύτερα γονιδιώματα από τους λιγότερο σύνθετους οργανισμούς. Αυτό ονομάζεται παράδοξο της τιμής C, όπου η τιμή C σημαίνει την ποσότητα του DNA σε ένα απλοειδές κύτταρο. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει μέρος του DNA που δεν έχει καμία πληροφοριακή λειτουργία, που ονομάζεται ανεπιθύμητο DNA (ακόμη συζητήσιμο). Μερικές φορές, αυτό το άχρηστο DNA ρυπαίνει το γονιδίωμα ενός οργανισμού, καθιστώντας το πολύ μεγαλύτερο από όσο χρειάζεται. Οι πιο πολύπλοκοι οργανισμοί επιτυγχάνουν αυτό το επίπεδο πολυπλοκότητας ρυθμίζοντας καλύτερα τα γονίδιά τους. Αυτό το κάνουν με εναλλακτικό μάτισμα, μεταγωγή σήματος και επιγενετικούς μηχανισμούς (μεταξύ πολλών άλλων). Αυτό σημαίνει ότι τα γονίδιά τους έχουν περισσότερες λειτουργίες, επιτρέποντας έτσι πιο περίπλοκη έκφραση και μορφή.