Геномы бактерий, архей и эукариот; плазмиды и геномы органелл

В каждой клетке есть полный набор наследственных инструкций. У кишечной палочки он записан в одной кольцевой молекуле ДНК длиной около полутора миллиметров, сложенной в клетке размером в пару микрометров. У человека та же задача решена иначе: 46 линейных молекул в ядре и ещё сотни маленьких колец в митохондриях. Различается не только размер: по устройству генома можно многое сказать об организме и его истории.

В этой статье разобрано, что такое геном, чем отличаются геномы бактерий, архей и эукариот, зачем нужны плазмиды и почему у митохондрий и хлоропластов есть собственная ДНК. Все понятия объясняются с самого начала, поэтому статья подойдёт и тем, кто только начинает изучать тему.

• 1. Что такое геном
• 2. Как читают геномы
• 3. Геном бактерий
• 4. Плазмиды
• 5. Геном архей
• 6. Геном эукариот
• 7. Геном митохондрий
• 8. Геном пластид
• 9. Сравнение
• 10. Почему геномы такие разные
• 11. Частые ошибки
• 12. Интересные факты
• 13. Частые вопросы
• 14. Что пока не решено
• 15. ЕГЭ
• 16. Для олимпиад
• 17. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое геном

Слово «геном» часто путают со словами «ген» и «генотип». Ген — отдельный участок ДНК, который несёт информацию об одном белке или об одной молекуле РНК. Геном — весь текст целиком, включая участки, которые ничего не кодируют. Генотип — набор конкретных вариантов генов (аллелей) у данной особи. Геном человека в целом одинаков у всех людей, а генотип у каждого свой.

Как записана информация

ДНК — длинная молекула из двух цепей, закрученных одна вокруг другой. Каждая цепь состоит из нуклеотидов четырёх видов. Их различают по азотистому основанию: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Основания двух цепей стоят друг против друга парами по правилу комплементарности: А всегда напротив Т, Г — напротив Ц. Между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц — три. Поэтому, зная одну цепь, всегда можно восстановить вторую.

Цепи направлены в противоположные стороны. У каждой цепи есть 5′-конец и 3′-конец, и напротив 5′-конца одной цепи находится 3′-конец другой. Это свойство называют антипараллельностью. Оно важно при копировании ДНК и при синтезе РНК: ферменты могут наращивать цепь только в одном направлении.

Информация в ДНК — это порядок нуклеотидов. Чтобы клетка ею воспользовалась, участок ДНК сначала переписывается в РНК (транскрипция), а затем по матричной РНК на рибосоме собирается белок (трансляция). Три нуклеотида мРНК соответствуют одной аминокислоте. Перед геном или группой генов есть промотор — участок, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза и с которого начинается транскрипция. Кроме промоторов, в геноме есть другие регуляторные участки: они определяют, когда и в каком количестве будет работать ген.

Из чего состоит геном

У бактерий и архей почти весь геном находится в одной большой молекуле ДНК — хромосоме. Иногда рядом есть небольшие дополнительные молекулы — плазмиды. У эукариот, то есть у организмов с ядром (растений, животных, грибов, протистов), основная часть генома лежит в ядре в виде нескольких хромосом. Кроме того, своя маленькая ДНК есть у митохондрий, а у растений и водорослей — ещё и у пластид. Поэтому говорят о ядерном геноме, митохондриальном геноме и геноме пластид.

Как измеряют размер генома

Размер генома считают в парах нуклеотидов (пар оснований), потому что ДНК двуцепочечная и каждому нуклеотиду одной цепи соответствует нуклеотид другой. Для больших чисел используют приставки.

У эукариот с двойным набором хромосом размер генома обычно указывают для одинарного (гаплоидного) набора. В клетке человека с двойным набором ДНК вдвое больше — около 6,1 млрд пар. Соседние пары оснований в двойной спирали отстоят друг от друга примерно на 0,34 нм. Значит, если вытянуть всю ДНК одной клетки человека в нить, получится около двух метров.

Кодирующая и некодирующая ДНК

Часть генома кодирует белки: по ней строится мРНК, а затем белок. Другие участки кодируют РНК, которые сами не переводятся в белок, например рибосомные и транспортные. Есть участки, управляющие работой генов, и, наконец, много последовательностей, роль которых неизвестна или невелика. Доля кодирующей ДНК — одно из главных различий между прокариотами и эукариотами: у бактерий она огромна, у человека мала. О том, как по последовательности ДНК находят гены, рассказано в статье о генетическом коде.

2. Как читают геномы

Прочитать геном — значит определить последовательность всех его нуклеотидов. Первым полностью прочитанным геномом из ДНК в 1977 году стал геном небольшого бактериофага φX174 — около 5400 нуклеотидов [1]. Читать геномы клеточных организмов научились позже, когда появился способ разрезать ДНК на множество случайных кусков, прочитать каждый и собрать целое по перекрывающимся участкам, как мозаику.

Первые методы позволяли читать за один опыт лишь несколько сотен нуклеотидов. Идея метода Ф. Сэнгера такова: на исследуемой цепи ДНК фермент строит комплементарную копию, но в смесь добавлены особые нуклеотиды, после которых цепь обрывается. Получается набор обрывков разной длины, каждый из которых кончается известным нуклеотидом. Если разделить обрывки по длине, по ним можно прочитать последовательность нуклеотид за нуклеотидом.

Современные приборы читают одновременно миллионы фрагментов. Короткие фрагменты читаются очень точно, но из них трудно собрать участки, где один и тот же повтор стоит много раз подряд. Поэтому для полной сборки генома человека понадобились приборы, читающие длинные фрагменты, в десятки тысяч нуклеотидов [2].

В 1995 году так прочитали первый геном свободноживущего организма — бактерии Haemophilus influenzae: 1 830 137 пар нуклеотидов [3]. В том же году прочитали геном микоплазмы Mycoplasma genitalium — самый маленький из известных тогда геномов свободноживущих организмов [4]. В 1996 году появились первые геномы археи [5] и эукариота — пекарских дрожжей [6].

Черновой геном человека опубликовали в 2001 году [7]. Но около 8 % генома, в основном длинные повторы, оставались непрочитанными ещё двадцать лет. Полностью, от одного конца каждой хромосомы до другого, геном человека прочитали только в 2022 году: 3,055 млрд пар нуклеотидов [2]. Число прочитанных геномов с тех пор растёт очень быстро [8]: только геномов бактерий и архей в базах данных уже больше 250 тысяч [9].

3. Геном бактерий

Хромосома в нуклеоиде

У бактерии нет ядра. Её ДНК лежит прямо в цитоплазме, в области, которую называют нуклеоидом. Мембраной нуклеоид не отделён. ДНК плотно уложена с помощью специальных белков и за счёт сверхспирализации — дополнительного закручивания двойной спирали.

У большинства бактерий одна хромосома, и она кольцевая: у молекулы ДНК нет концов. У кишечной палочки K-12 в ней 4 639 221 пара нуклеотидов и 4288 генов, кодирующих белки [10]. Если вытянуть эту ДНК, её длина составит около 1,6 мм, то есть почти в 800 раз больше длины самой клетки.

Как копируется кольцевая хромосома

Копирование ДНК (репликация) начинается в одной точке — точке начала репликации (ori). Оттуда в противоположные стороны движутся две вилки репликации. Они встречаются на противоположной стороне кольца, в области окончания. Одной точки начала бактерии хватает, потому что хромосома относительно короткая.

Деление и распределение хромосомы

Митоза у бактерий нет: веретена деления и конденсации хромосом в привычном виде тоже нет. После того как хромосома скопирована, две копии расходятся в противоположные половины клетки. Затем посередине образуется перегородка, и клетка делится надвое. При быстром росте бактерия может начать новый цикл копирования ещё до того, как закончился предыдущий. Поэтому в быстро делящейся клетке кишечной палочки бывает больше одной копии отдельных участков хромосомы.

Гены лежат плотно

Главная черта бактериального генома — экономность. Гены лежат почти вплотную, промежутки между ними короткие, интронов в белковых генах обычно нет. У кишечной палочки на один ген в среднем приходится около 1100 пар нуклеотидов, а средний ген сам занимает около тысячи пар. Значит, кодирует белки большая часть генома.

Часто несколько генов, работающих вместе, расположены рядом и считываются в одну мРНК. Такую группу вместе с участками, которые управляют её работой, называют опероном. Классический пример — лактозный оперон кишечной палочки: три гена для использования лактозы включаются только тогда, когда лактоза есть в среде. Эту модель регуляции предложили Ф. Жакоб и Ж. Моно [11].

Как работает лактозный оперон

Устройство оперона удобно разобрать по частям.

• Структурные гены кодируют ферменты. Главные из них: один расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу, другой переносит лактозу в клетку.
• Промотор — место посадки РНК-полимеразы перед генами.
• Оператор — участок между промотором и генами. К нему может присоединяться белок-репрессор.
• Ген-регулятор расположен отдельно и кодирует сам репрессор.

Когда лактозы нет, репрессор связан с оператором и не даёт РНК-полимеразе пройти к генам. Ферменты не синтезируются, и клетка не тратит на них энергию. Когда лактоза появляется, её производное связывается с репрессором и меняет его форму. Репрессор отходит от оператора, РНК-полимераза считывает гены, и клетка начинает использовать лактозу. Когда лактоза закончится, репрессор снова займёт оператор. Так бактерия синтезирует ферменты только тогда, когда они нужны [11].

Такая регуляция возможна потому, что гены, работающие вместе, лежат рядом и считываются в одну молекулу мРНК. У эукариот гены одного пути обычно разбросаны по разным хромосомам, и каждый имеет собственный промотор.

Самые маленькие и самые большие

Размер бактериальных геномов различается более чем в сто раз. Самые маленькие геномы у бактерий, которые живут внутри клеток насекомых и не могут существовать вне хозяина. У симбионта листоблошек Carsonella ruddii хромосома содержит 159 662 пары нуклеотидов, а кодирующих участков в ней 97 % [12]. Ещё меньше геном Nasuia deltocephalinicola, симбионта цикадки: около 112 тысяч пар [13]. Многие гены, необходимые для самостоятельной жизни, у таких бактерий утрачены, и их положение близко к положению органелл.

На другом краю — почвенные бактерии со сложным образом жизни. Геном миксобактерии Sorangium cellulosum — 13 033 779 пар нуклеотидов; на момент прочтения в 2007 году он был самым большим среди бактерий [14]. Эти бактерии синтезируют множество сложных веществ, в том числе противоопухолевый эпотилон, и для этого нужны сотни генов.

Сколько генов нужно клетке

Учёные попытались выяснить это опытом. Они синтезировали геном микоплазмы и последовательно удаляли из него гены. Через три цикла проектирования, синтеза и проверки получилась клетка JCVI-syn3.0 с геномом 531 тысяча пар нуклеотидов и всего 473 генами. Это меньше, чем у любой самостоятельно размножающейся клетки, найденной в природе. Функция примерно трети оставшихся необходимых генов при этом неизвестна [15].

Не всегда одна и не всегда кольцевая

Из правила «одна кольцевая хромосома» есть исключения. У холерного вибриона две кольцевые хромосомы: 2 961 146 и 1 072 314 пар нуклеотидов. Почти все жизненно важные гены лежат на большой [16]. Примерно у каждой десятой бактерии кроме основной хромосомы есть вторая крупная молекула, которая сочетает черты хромосомы и плазмиды [17]. У боррелий, возбудителей болезни Лайма, и у почвенных стрептомицетов хромосома линейная [18].

Не всегда верно и то, что у бактерии одна копия генома. Гигантская бактерия Epulopiscium из кишечника рыб-хирургов длиной более 0,6 мм содержит десятки тысяч копий своего генома [19]. Найденная в 2022 году Thiomargarita magnifica в среднем длиннее 9 мм и видна невооружённым глазом. Копий генома у неё более полумиллиона, и они заключены в мембранные пузырьки [20]. Вероятно, многие копии нужны таким клеткам, чтобы белки синтезировались по всей огромной клетке, а не только в одном месте.

Один вид — много геномов

Если прочитать геномы нескольких штаммов одного вида бактерий, они окажутся заметно разными. У стрептококка группы B каждый новый штамм приносил в среднем десятки генов, которых не было у прочих. Поэтому для бактерий ввели понятие пангенома — суммы всех генов, найденных у штаммов вида. В нём есть ядро, общее для всех штаммов, и изменчивая часть [21].

Причина такой изменчивости — горизонтальный перенос генов. Бактерии получают ДНК не только от родительской клетки, но и от соседей, в том числе от далёких видов: при поглощении ДНК из среды (трансформации), с помощью вирусов (трансдукции) и при конъюгации. Так бактерии быстро приобретают новые свойства, например способность вызывать болезнь или переваривать новое вещество [22].

Прыгающие гены у бактерий

В геномах бактерий есть и мобильные элементы — короткие участки ДНК, способные перемещаться с одного места на другое. Самые простые из них, IS-элементы (вставочные последовательности), несут только ген фермента, который вырезает и встраивает сам элемент. В геноме кишечной палочки K-12 есть и такие элементы, и остатки бактериофагов, когда-то встроившихся в хромосому [10]. Более крупные мобильные элементы, транспозоны, иногда несут дополнительные гены, например устойчивости к антибиотику. Перескакивая между хромосомой и плазмидой, они помогают таким генам распространяться.

4. Плазмиды

Размер плазмид — от одной-двух тысяч пар нуклеотидов до сотен тысяч, а самые крупные превышают миллион. В клетке может быть одна копия плазмиды или несколько десятков. У одной бактерии бывает много разных плазмид: у боррелии найдено 12 линейных и 9 кольцевых, вместе более 610 тысяч пар нуклеотидов [23].

Что несут плазмиды

Без плазмиды бактерия обычно может жить, но в определённых условиях плазмида даёт ей преимущество. Плазмиды несут гены:

• устойчивости к антибиотикам и тяжёлым металлам;
• токсинов и других факторов, помогающих вызывать болезнь;
• ферментов для разложения необычных веществ, например некоторых загрязнителей;
• переноса самой плазмиды в другие клетки.

Какие бывают плазмиды

Почему плазмида не теряется

Копирование плазмиды требует веществ и энергии. Если плазмида не даёт преимущества, клетки без неё будут расти чуть быстрее. Тем не менее многие плазмиды долго сохраняются в популяции. У плазмид есть несколько способов удержаться. Во-первых, системы распределения: перед делением клетки копии плазмиды разводятся в разные половины. Во-вторых, многие копии: при десятках копий вероятность, что дочерняя клетка не получит ни одной, мала. В-третьих, у некоторых плазмид есть системы, которые останавливают деление клетки, если плазмида не скопировалась, или губят клетку, потерявшую плазмиду. Такой механизм описан, например, для мини-F-плазмиды кишечной палочки [24].

Плазмида и вирус: в чём разница

Конъюгация

В 1946 году Дж. Ледерберг и Э. Тейтем показали, что у кишечной палочки две линии с разными мутациями при смешивании дают клетки с новыми сочетаниями генов: бактерии способны обмениваться наследственной информацией [25]. Позже выяснилось, что за этот обмен отвечает особая плазмида, которая умеет переходить из клетки в клетку. Такой перенос при прямом контакте клеток называют конъюгацией.

Плазмиды и устойчивость к антибиотикам

В 1950-е годы в Японии во время вспышек дизентерии стали выделять бактерии, устойчивые сразу к нескольким антибиотикам. Оказалось, что вся эта устойчивость передаётся от бактерии к бактерии одним блоком, вместе с плазмидой, и может переходить даже к бактериям другого вида [26]. Такие плазмиды назвали R-факторами. С тех пор передача плазмид остаётся одним из главных путей распространения устойчивости к антибиотикам. Подробнее об этом в статье о коэволюции и устойчивости к антибиотикам.

Плазмиды в генной инженерии

В 1973 году С. Коэн, Г. Бойер и их коллеги разрезали плазмиду ферментом, вставили в неё чужой фрагмент ДНК, ввели получившуюся рекомбинантную плазмиду в кишечную палочку и показали, что она работает и передаётся потомкам [27]. Эта работа положила начало генной инженерии. Плазмиды удобны как переносчики генов (векторы): они небольшие, легко выделяются, сами копируются в клетке и могут нести ген устойчивости, по которому легко отобрать клетки, получившие плазмиду. Подробно о технике — в статье об искусственном синтезе генов и рекомбинантных ДНК.

Особенно интересна Ti-плазмида агробактерии. Агробактерия вызывает у растений опухоль — корончатый галл. В 1974 году у таких бактерий нашли большую плазмиду, связанную со способностью вызывать опухоль [28]. Через три года выяснилось, что часть этой плазмиды встраивается в ДНК клетки растения [29]. После этого клетка начинает делиться и производить вещества, которыми питается бактерия. Учёные заменили гены опухоли нужными генами, и с тех пор агробактерия — основной способ получения трансгенных растений.

5. Геном архей

Археи — вторая группа прокариот. Внешне их клетки похожи на бактериальные, и долгое время их считали бактериями. Геном тоже на первый взгляд бактериальный: обычно одна кольцевая хромосома в нуклеоиде, гены лежат плотно и часто собраны в опероны. У археи Methanococcus jannaschii, первой с прочитанным геномом, хромосома содержит 1,66 млн пар нуклеотидов и около 1700 белковых генов, а рядом есть ещё две небольшие молекулы ДНК [5].

Черты, общие с эукариотами

Однако машины, которые работают с ДНК, у архей больше похожи на эукариотические.

• Гистоны. У многих архей есть небольшие белки, родственные гистонам эукариот. ДНК обвивается вокруг цепочки из таких белков, и геометрия намотки та же, что в нуклеосоме эукариот. Значит, способ упаковки ДНК с помощью гистонов появился раньше, чем ядро [30].
• Несколько точек начала репликации. У архей рода Sulfolobus копирование кольцевой хромосомы начинается почти одновременно в трёх местах [31]. У эукариот таких точек тоже много.
• Белки транскрипции и трансляции у архей тоже ближе к эукариотическим, чем к бактериальным.
• Много копий генома. Галофильная архея Halobacterium salinarum в фазе быстрого роста содержит в среднем около 25 копий хромосомы [32].

Где живут археи

Сначала археи были известны в основном из мест с крайними условиями: горячих источников, солёных озёр, бескислородного ила. Именно оттуда получены многие изученные виды, например жаролюбивые Sulfolobus и галофильный Halobacterium. Позже, когда стали читать ДНК прямо из образцов среды, оказалось, что археи живут и в обычных местах: в морской воде, почве, донных осадках, кишечнике животных. Метаногенные археи выделяют метан, и их деятельность важна для круговорота углерода.

Крошечный геном и родственники эукариот

Самый известный маленький геном среди архей — у Nanoarchaeum equitans, которая живёт на поверхности другой археи. В её геноме 490 885 пар нуклеотидов, и 95 % из них кодируют белки или стабильные РНК. Ферментов для синтеза липидов, аминокислот и нуклеотидов у неё нет: всё это она получает от хозяина [33].

В 2017 году при анализе ДНК из донных отложений описали надтип архей Асгард. В их геномах много генов, похожих на гены эукариот, и по родству эукариоты оказываются внутри этой группы [34]. Вырастить такую архею удалось лишь примерно через десять лет работы: Prometheoarchaeum syntrophicum — очень медленно растущий кокк размером около 550 нм [35]. Эти данные поддерживают представление о том, что эукариотическая клетка возникла от союза археи и бактерии — будущей митохондрии [36].

6. Геном эукариот

Ядро и линейные хромосомы

У эукариот основная ДНК находится в ядре, отделённом от цитоплазмы двойной мембраной. Хромосом несколько, и они линейные. У пекарских дрожжей 16 хромосом [6], у человека в одинарном наборе 23, а в клетке тела 46.

Линейная хромосома требует особых участков, которых нет у кольцевой:

• Теломеры — повторяющиеся последовательности на концах. Они защищают концы молекулы и решают проблему недорепликации: при копировании линейной ДНК самый конец одной цепи не достраивается. Подробнее — в статье о теломерах и теломеразе.
• Центромера — участок, к которому при делении клетки через кинетохор прикрепляются нити веретена деления.
• Много точек начала репликации. Хромосомы эукариот длинные, и при одной точке начала копирование заняло бы слишком много времени.

Хроматин

ДНК эукариот наматывается на белки-гистоны. Отрезок ДНК, обёрнутый вокруг восьми молекул гистонов, называют нуклеосомой. Цепочка нуклеосом складывается дальше, и вся эта упаковка вместе с белками образует хроматин. Плотность упаковки влияет на работу генов: в плотно упакованном хроматине гены обычно молчат.

Эухроматин и гетерохроматин

Хроматин в ядре упакован неодинаково. Рыхлый эухроматин содержит большинство работающих генов: РНК-полимераза легко находит в нём промоторы. Плотный гетерохроматин содержит в основном повторы, а гены в нём обычно не работают. Большая часть гетерохроматина расположена около центромер и теломер. Именно эти участки дольше всего не удавалось прочитать: в длинных одинаковых повторах трудно собрать мозаику из коротких кусков [2].

Гены с интронами

Большинство генов эукариот состоит из экзонов и интронов. После транскрипции интроны вырезаются из РНК, а экзоны сшиваются. Этот процесс называют сплайсингом. Из одного гена при разном сшивании экзонов могут получаться разные белки. Интроны часто длиннее экзонов: у многих генов человека они занимают большую часть длины гена.

Семейства генов и псевдогены

Многие гены эукариот входят в семейства — группы похожих генов, возникших путём удвоения одного предкового гена. После удвоения одна копия может сохранить старую функцию, а другая — получить новую. Так возникли, например, разные цепи гемоглобина. Иногда же копия накапливает мутации и перестаёт работать. Такой неработающий остаток гена называют псевдогеном. Псевдогены — хорошее свидетельство того, что геном постоянно перестраивается.

Много некодирующей ДНК

Главная неожиданность при прочтении генома человека — как мало в нём кодирующих белки участков: менее 1,5 %. Около половины генома составляют повторы, происходящие от мобильных элементов [7]. Это последовательности, которые способны копироваться и встраиваться в новые места генома. Их открыла Б. Мак-Клинток в 1940-х годах при изучении окраски зёрен кукурузы [37].

Генов, кодирующих белки, у человека около 20 тысяч. Это даже меньше, чем у небольшого растения арабидопсиса: у него их около 25,5 тысячи [38]. У пекарских дрожжей белковых генов около 5900 [6].

Данные для дрожжей и арабидопсиса взяты из работ, где их геномы были прочитаны впервые [6][38], для человека — из полной сборки 2022 года [2]. Видно, что при переходе от дрожжей к человеку геном вырос примерно в 250 раз, а число генов — лишь в три с небольшим раза.

Размер не равен сложности

Размеры геномов эукариот различаются невероятно сильно. Среди организмов самый маленький известный ядерный геном у микроспоридии Encephalitozoon intestinalis, внутриклеточного паразита животных: 2,3 млн пар [39]. Ещё меньше нуклеоморф — остаток ядра водоросли-симбионта внутри другой клетки: 373 тысячи пар и 331 ген [40]. Самые большие — у растений: у вороньего глаза японского 148,9 млрд пар [41][42], а у новокаледонского папоротника Tmesipteris oblanceolata 160,45 млрд пар, более чем в 50 раз больше, чем у человека [42]. Из животных рекордсмен — австралийская рогозубая рыба, родственница предков наземных позвоночных: её геном примерно в 14 раз больше человеческого, и около 90 % его составляют повторы [43].

Различие в размере генома между близкими организмами, которое не связано с их сложностью, называют парадоксом C-значения (C-значение — количество ДНК в одинарном наборе хромосом). Сейчас ясно, что дело в основном в количестве некодирующей ДНК — повторов и мобильных элементов [44]. Лук или папоротник не «сложнее» человека: в их геноме просто больше повторов.

Ещё один источник роста генома — удвоения. Иногда удваивается весь набор хромосом. Такие полиплоиды часты среди растений. Следы древнего удвоения всего генома видны даже у арабидопсиса, у которого генов немного [38].

Полиплоидия у растений

Многие культурные растения — полиплоиды: у них несколько наборов хромосом. Мягкая пшеница содержит шесть наборов, полученных от трёх предковых видов злаков. Полиплоиды часто крупнее и устойчивее, поэтому человек отбирал их при одомашнивании. Для понятия «геном» это создаёт сложность: у полиплоида говорят о субгеномах — наборах хромосом, унаследованных от разных предков.

7. Геном митохондрий

Митохондрии произошли от бактерий, которые когда-то поселились внутри предковой клетки эукариот. Об этом говорит многое, и в том числе собственная ДНК митохондрий [36]. Подробнее о происхождении органелл — в статье об эндосимбиозе.

Митохондриальная ДНК человека

Митохондриальная ДНК (мтДНК) человека — кольцевая молекула из 16 569 пар нуклеотидов. В ней 37 генов: 13 кодируют белки дыхательной цепи и АТФ-синтазы, 22 — транспортные РНК и 2 — рибосомные РНК [45]. Гены лежат так плотно, что у многих нет полного стоп-кодона: он образуется уже на РНК.

Митохондрия содержит около тысячи разных белков: в исследовании на мышах их насчитали 1098 [46]. Значит, почти все белки митохондрии закодированы в ядре, синтезируются в цитоплазме и доставляются в органеллу.

Особенности наследования

• Много копий. В клетке сотни и тысячи молекул мтДНК, по нескольку в каждой митохондрии.
• Наследование по материнской линии. У человека и большинства животных митохондрии ребёнок получает от матери: в цитоплазме яйцеклетки их много, а митохондрии сперматозоида в зиготе разрушаются.
• Нет рекомбинации, быстрые мутации. мтДНК передаётся почти без перемешивания и изменяется быстрее ядерной. Поэтому она удобна для изучения происхождения популяций.

Митохондриальные болезни

Мутации мтДНК могут нарушать работу дыхательной цепи. Сильнее всего страдают ткани, которым нужно много энергии: нервная ткань, мышцы, сетчатка глаза. Первой мутацией мтДНК, связанной с болезнью человека, в 1988 году стала замена в гене одного из белков дыхательной цепи у больных наследственной оптической нейропатией Лебера. При этой болезни внезапно ухудшается зрение, и передаётся она по материнской линии [47].

Поскольку молекул мтДНК в клетке много, мутантные и нормальные молекулы могут существовать в одной клетке одновременно. Это явление называют гетероплазмией. При делении клетки молекулы распределяются случайно, поэтому доля мутантных копий у разных детей одной матери и в разных тканях одного человека может сильно различаться. От этой доли часто зависит тяжесть болезни.

В 1987 году Р. Канн, М. Стоункинг и А. Уилсон сравнили мтДНК 147 человек из разных частей света. Все варианты сводились к одной предковой последовательности. Её носительница, условно названная митохондриальной Евой, жила, по их оценке, около 200 тысяч лет назад, вероятно в Африке [48]. Это не значит, что тогда жила одна женщина: в ту же эпоху жило много людей, но только её линия мтДНК дошла до наших дней без перерыва.

Разнообразие митохондриальных геномов

У разных эукариот митохондриальные геномы очень разные [49]. У жгутиконосцев-якобид мтДНК больше всего похожа на бактериальную и несёт больше всего генов: у Andalucia godoyi там есть даже гены бактериальной РНК-полимеразы [50]. У цветковых растений митохондриальные геномы огромны: у смолёвки Silene conica около 11,3 млн пар в 128 отдельных кольцевых хромосомах, больше многих бактериальных геномов, хотя генов там немного [51]. У амбореллы в митохондриальном геноме нашли ДНК, захваченную из митохондрий водорослей и мхов [52]. Подробнее о якобидах — в отдельной статье.

Куда делись гены

Свободноживущие родственники митохондрий — альфа-протеобактерии — имеют тысячи генов. В митохондрии человека их осталось 37. Большая часть генов не исчезла бесследно, а переместилась в ядро [53].

Перенос ДНК из органелл в ядро идёт и сейчас. В ядерных хромосомах человека и других организмов находят фрагменты митохондриальной и пластидной ДНК, встроившиеся сравнительно недавно [53]. Обычно такие фрагменты не работают, но они показывают, каким путём когда-то переместились гены.

Почему хоть какие-то гены остались в органелле? Одно из объяснений: некоторые очень гидрофобные белки мембраны трудно доставить в органеллу снаружи, и их выгоднее синтезировать на месте. Кроме того, органелла может быстрее регулировать синтез собственных белков дыхательной цепи.

8. Геном пластид

Пластиды, в том числе хлоропласты, произошли от цианобактерий. Как и у митохондрий, у них есть собственная ДНК — обычно кольцевая молекула размером 120–160 тысяч пар нуклеотидов. Хлоропласт арабидопсиса содержит 154 478 пар. В его ДНК есть два одинаковых участка по 26 264 пары, расположенных навстречу друг другу (инвертированные повторы). Они разделяют большой и малый однокопийные участки: 84 170 и 17 780 пар. В хлоропластном геноме 87 белковых генов, 4 гена рРНК и 37 генов тРНК [54].

Гены хлоропласта кодируют часть белков фотосинтеза, рибосом и РНК-полимеразы. Но большинство белков хлоропласта, как и в случае митохондрий, закодировано в ядре и доставляется в органеллу. Об этой доставке рассказано в статье о транспорте белков в хлоропласт.

Геном пластид можно изменять. В клетках табака удавалось удалять отдельные гены тРНК из ДНК хлоропласта и проверять, может ли растение обойтись без них. Так выяснили, сколько разных тРНК на самом деле нужно, чтобы прочитать все кодоны [55]. Растения с изменённым геномом пластид интересны и для биотехнологии: в пластиде много копий ДНК, поэтому встроенный ген может давать много белка.

У некоторых водорослей пластида досталась от другого эукариота, съеденного, но не переваренного. У хлорарахниофитов и криптофитов от этого эукариота остался даже маленький ядерный остаток — нуклеоморф. Он сохраняет признаки настоящего ядра: три линейные хромосомы с плотно упакованными генами [40].

9. Сравнение

10. Почему геномы такие разные

Почему у бактерий нет лишней ДНК

Бактерии постоянно получают новую ДНК от соседей, но их геномы остаются компактными. Объяснение: в ДНК бактерий выпадения происходят чаще вставок. Если ген не поддерживается отбором, он постепенно разрушается мутациями и исчезает [56]. Особенно сильно это видно у бактерий, живущих внутри клеток хозяина: многие вещества они получают готовыми, и гены их синтеза теряются за ненадобностью.

Почему у эукариот её так много

Здесь есть две основные гипотезы. М. Линч и Дж. Конери считают, что лишняя ДНК слабо вредна, а у крупных организмов численность популяций мала, и отбор не успевает её удалять. Поэтому геном разрастается за счёт копий генов, интронов и мобильных элементов, почти не приносящих пользы [57]. Н. Лейн и У. Мартин предложили другое объяснение: держать огромный геном и синтезировать белки по множеству генов позволила энергия митохондрий [58]. Против этой гипотезы выступили М. Линч и Г. Маринов: по их расчётам, данные об энергетике клеток не подтверждают, что для появления новых генов эукариотам была нужна добавочная энергия митохондрий [59]. Спор продолжается.

Как геномы меняются

Геном не застывший текст. Он меняется несколькими путями:

• точечные мутации — замены, вставки и выпадения отдельных нуклеотидов;
• удвоения — копирование отдельных генов, участков хромосом и даже всего генома;
• перемещение мобильных элементов, которые встраиваются в новые места;
• горизонтальный перенос — получение генов от других организмов, особенно частый у бактерий и архей;
• утрата генов, которые перестали быть нужны, например у паразитов и симбионтов.

Удвоения и мобильные элементы увеличивают геном, выпадения и утраты уменьшают его. Итоговый размер зависит от того, какие из процессов сильнее у данной группы организмов [56][57].

Ясно одно: размер генома мало говорит о сложности организма. Гораздо важнее, какие гены есть в геноме и как они регулируются.

Зачем знать устройство геномов

Знание геномов давно вышло за пределы науки.

• Медицина. По последовательности ДНК бактерии быстро определяют вид возбудителя и гены устойчивости к антибиотикам, а при вспышке инфекции сравнивают геномы, чтобы понять, откуда она распространяется.
• Генная инженерия. Плазмиды служат переносчиками генов, а агробактерия — способом встроить ген в растение. Так получают, например, человеческий инсулин в бактериях.
• Сельское хозяйство. Знание генома растения помогает отбирать сорта с нужными генами без долгих скрещиваний вслепую.
• Изучение эволюции. Сравнение геномов показывает родство организмов, а мтДНК — пути расселения людей.

11. Частые ошибки

12. Интересные факты

• Бактерию видно без микроскопа. Клетка Thiomargarita magnifica в среднем длиннее 9 мм. В ней более полумиллиона копий генома, а ДНК заключена в мембранные пузырьки [20].
• Метры ДНК в микроскопическом ядре. Если вытянуть всю ДНК одной клетки человека в нить, получится около двух метров. Ядро при этом имеет диаметр около десятка микрометров.
• Растение с самым большим геномом. Геном папоротника Tmesipteris oblanceolata содержит 160,45 млрд пар нуклеотидов [42]. ДНК одинарного набора его хромосом, вытянутая в нить, имела бы длину около 55 м.
• Почти органелла. Геном Carsonella ruddii так мал, что многие гены, считающиеся необходимыми для жизни, отсутствуют. Авторы прочтения заметили, что эта бактерия, вероятно, приближается к положению органеллы [12].
• Ядро в чужой клетке. Нуклеоморф хлорарахниофитов — остаток ядра водоросли, живущей внутри другой клетки. С 373 тысячами пар это самый маленький ядерный геном, известный на момент его прочтения [40].
• Две хромосомы у одной бактерии. У холерного вибриона гены, без которых клетка не живёт, сосредоточены в большой хромосоме, а в малой гораздо больше генов с неизвестной функцией [16].
• Геном митохондрии больше бактериального. Митохондриальный геном смолёвки Silene conica около 11,3 млн пар — в два с лишним раза больше генома кишечной палочки, хотя генов в нём гораздо меньше [51].
• Полный геном человека прочитан недавно. Хотя о прочтении генома человека объявили ещё в 2000–2001 годах, последние пробелы, около 8 % последовательности, закрыли только в 2022 году [2].
• Пангеном больше генома. У стрептококка группы B гены, найденные хотя бы у одного штамма, вместе далеко превосходят геном любого отдельного штамма [21].
• Митохондрии как машина времени. По мтДНК изучают пути расселения людей: удобно, что она передаётся только по материнской линии и почти не перемешивается [48].

13. Частые вопросы

Чем геном отличается от генотипа?
Геном — весь наследственный текст организма, устройство которого одинаково у особей одного вида. Генотип — конкретные варианты генов у данной особи.

Есть ли хромосомы у бактерий?
Да. Обычно одна кольцевая хромосома, иногда две, а у некоторых бактерий линейная.

Зачем бактерии плазмида, если в ней нет жизненно важных генов?
Плазмида даёт преимущество в особых условиях: например, при действии антибиотика выживают только клетки с плазмидой устойчивости.

Почему у кольцевой ДНК нет проблемы концов?
У неё нет концов. При копировании кольца не остаётся недостроенных участков, поэтому теломеры не нужны.

Почему у человека так мало генов при таком большом геноме?
Потому что большая часть генома не кодирует белки: это интроны, повторы, регуляторные участки и последовательности, роль которых неизвестна.

Можно ли сказать, что мтДНК — это геном бактерии?
Это сильно уменьшенный геном потомка бактерии. Большинство генов предка утрачено или перенесено в ядро.

Наследуются ли хлоропласты от одного родителя?
У многих цветковых растений пластиды передаются по материнской линии, но у части растений бывает и иначе. Это зависит от группы.

Какой геном прочитали первым?
Первым геномом из ДНК — геном бактериофага φX174 (1977). Среди клеточных организмов первым был геном бактерии Haemophilus influenzae (1995).

Что такое геномные мутации?
Изменения числа хромосом: потеря или добавление отдельной хромосомы либо кратное увеличение всего набора (полиплоидия). Их не следует путать с генными мутациями, которые меняют отдельный ген.

Чем ген-регулятор отличается от оператора?
Ген-регулятор кодирует белок-репрессор. Оператор ничего не кодирует: это участок ДНК, к которому репрессор присоединяется.

Есть ли геном у вирусов?
Да. Это ДНК или РНК вирусной частицы. Вирусные геномы обычно малы: у бактериофага φX174 около 5400 нуклеотидов [1]. Но вирус не может воспроизвести себя без клетки.

Зачем в клетке столько копий мтДНК?
Митохондрий в клетке много, и каждой нужны собственные гены. Кроме того, множество копий защищает от случайной утраты: если часть молекул повреждена, остальные продолжают работать.

14. Что пока не решено

• Зачем эукариотам столько некодирующей ДНК. Насколько она полезна и почему у близких видов её количество различается в разы, пока обсуждается [44][57].
• Связан ли рост генома с митохондриями. Гипотеза энергетического ограничения и её критика пока не пришли к согласию [58][59].
• Каков минимальный геном. Даже у клетки с 473 генами функция многих необходимых генов неизвестна [15].
• Почему в органеллах сохраняются именно эти гены. Предложено несколько объяснений, ни одно не принято окончательно [53].
• Как устроен общий предок архей и эукариот. Асгардархеи сближают группы, но подробности перехода к клетке с ядром неясны [35].

15. ЕГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 по биологии в разделе 2.5 есть элемент «Организация генома у прокариот и эукариот», а рядом — регуляция генов у прокариот и гипотеза оперона Ф. Жакоба и Ж. Моно [60]. Плазмиды встречаются в заданиях о строении бактериальной клетки, о генной инженерии и о передаче устойчивости к антибиотикам. Сравнение клеток подробно разобрано в статье о прокариотических и эукариотических клетках.

Что запомнить

• Прокариоты: ДНК в нуклеоиде, хромосома обычно одна и кольцевая, гистонов у бактерий нет, есть плазмиды, гены часто собраны в опероны, интронов почти нет.
• Эукариоты: ДНК в ядре, хромосомы линейные, с теломерами и центромерами, ДНК связана с гистонами, гены с интронами, много некодирующей ДНК.
• Митохондрии и пластиды имеют свою кольцевую ДНК и свои рибосомы — довод в пользу их происхождения от бактерий.
• Плазмиды используют в генной инженерии как векторы.
• Митохондриальные болезни у человека передаются от матери.

Типичные задачи

Расчёт по правилу комплементарности. Если в двуцепочечной ДНК известна доля одного нуклеотида, находят остальные: А = Т, Г = Ц, сумма всех — 100 %. Если нужно число водородных связей, помните: между А и Т их две, между Г и Ц три.

Объяснение признаков. Ответ должен называть признак и связывать его с функцией: «кольцевая ДНК без концов — теломеры не нужны», «плазмида с геном устойчивости — бактерия выживает при действии антибиотика».

Разобранный пример 1

Условие. Назовите не менее трёх признаков, по которым митохондрии похожи на бактерии.

Ответ. 1) Собственная кольцевая ДНК, не связанная с гистонами. 2) Собственные рибосомы, по размеру и строению похожие на бактериальные. 3) Размножение делением, независимо от деления клетки. 4) Две мембраны; внутренняя по составу сходна с мембраной бактерий. 5) Последовательности генов мтДНК ближе всего к генам альфа-протеобактерий.

Разобранный пример 2

Условие. В клетке бактерии есть кольцевая молекула ДНК, которая содержит ген устойчивости к ампициллину. Как называется такая молекула? Что произойдёт с популяцией бактерий при лечении ампициллином? Как ген может попасть в бактерию другого вида?

Ответ. 1) Это плазмида. 2) Бактерии без плазмиды погибнут, а бактерии с плазмидой выживут и размножатся: доля устойчивых клеток вырастет (действие естественного отбора). 3) Плазмида может перейти в другую бактерию при конъюгации, в том числе к бактерии другого вида.

16. Для олимпиад

Кольцо и линия: подсчёт связей

В каждой цепи линейной ДНК из N нуклеотидов N − 1 фосфодиэфирная связь, а в кольцевой — N, потому что кольцо замкнуто ещё одной связью. Значит, в двуцепочечной линейной молекуле из N пар 2N − 2 таких связей, а в кольцевой 2N.

Скорость репликации и число точек начала

Примем, что вилка репликации у кишечной палочки движется со скоростью около 1000 нуклеотидов в секунду. Две вилки пройдут кольцо из 4,64 млн пар примерно за 2320 с, то есть почти за 40 минут. У эукариот вилки медленнее, а хромосомы длиннее. Если взять хромосому длиной 248 млн пар и принять скорость вилки 50 нуклеотидов в секунду, то при одной точке начала копирование заняло бы около 29 суток. Отсюда понятно, зачем эукариотам тысячи точек начала репликации.

Нуклеотидный состав генома

Доля пар Г–Ц в геноме (ГЦ-состав) у разных организмов очень различается. У Carsonella ruddii она всего 16,5 % [12]. Значит, на пары А–Т приходится 83,5 %, а доля каждого из нуклеотидов А и Т — по 41,75 %. Низкий ГЦ-состав типичен для бактерий-симбионтов с маленькими геномами. Состав связан и с устойчивостью ДНК: пара Г–Ц удерживается тремя водородными связями, а пара А–Т — двумя, поэтому ДНК с высоким ГЦ-составом труднее разделить на цепи нагреванием.

Как часто теряется плазмида

Пусть в клетке перед делением n копий плазмиды и при делении каждая копия случайно попадает в одну из двух дочерних клеток. Вероятность того, что конкретная дочерняя клетка не получит ни одной копии, равна (1/2)ⁿ. При одной копии это половина случаев, при десяти — около 0,1 %, при двадцати — около одной миллионной. Поэтому плазмиды с малым числом копий нуждаются в системах распределения, а плазмиды с большим числом копий удерживаются и без них.

Хромиды

Вторая крупная молекула ДНК у бактерий часто не похожа ни на типичную хромосому, ни на типичную плазмиду. По составу нуклеотидов она близка к хромосоме и несёт некоторые важные гены, но копируется и распределяется по дочерним клеткам с помощью плазмидной системы. Для таких молекул предложено отдельное название — хромида [17].

Перенос генов как доказательство

Довод в пользу происхождения органелл от бактерий — не только своя ДНК, но и устройство самих генов. Так, в мтДНК якобид есть бактериоподобная РНК-полимераза из четырёх субъединиц, а перед генами стоят последовательности, похожие на бактериальные участки посадки рибосомы [50]. У других эукариот эти функции выполняют белки, закодированные в ядре.

17. Задания с разбором

Задание 1

Распределите признаки по группам (А — бактерии, Б — эукариоты): 1) кольцевая хромосома в нуклеоиде; 2) линейные хромосомы с теломерами; 3) ДНК связана с гистонами в нуклеосомах; 4) гены часто собраны в опероны; 5) в генах много интронов; 6) часто есть плазмиды.

Задание 2

Хромосома кишечной палочки содержит 4 639 221 пару нуклеотидов. Расстояние между соседними парами — 0,34 нм. Найдите длину молекулы и сравните её с длиной клетки 2 мкм.

Задание 3

Плазмида содержит 6000 пар нуклеотидов, адениловые нуклеотиды составляют 20 % от всех нуклеотидов. Найдите число нуклеотидов каждого вида и число водородных связей между цепями.

Задание 4

Сколько фосфодиэфирных связей в плазмиде из задания 3? А в линейной молекуле той же длины?

Задание 5

Геном человека — около 3,055 млрд пар нуклеотидов, белковых генов около 20 тысяч. Сколько пар нуклеотидов приходится на один ген? Сравните с кишечной палочкой, у которой 4288 генов.

Задание 6

Митохондриальное заболевание есть у матери, а отец здоров. Будут ли больны дети? А если болен отец, а мать здорова? Объясните.

Задание 7

Почему устойчивость к антибиотикам часто распространяется среди бактерий быстрее, чем если бы она возникала только за счёт новых мутаций?

Задание 8

В мтДНК человека 13 белковых генов. В митохондриях мыши насчитали 1098 разных белков; примем, что у человека их примерно столько же. Какая доля белков митохондрии закодирована в её собственной ДНК? Где закодированы остальные?

Задание 9

Какими свойствами должна обладать плазмида, чтобы служить вектором в генной инженерии?

Задание 10

Почему агробактерию используют для получения трансгенных растений?

Задание 11

Геном археи Nanoarchaeum equitans содержит 490 885 пар нуклеотидов, из них 95 % кодируют белки или стабильные РНК. Сколько пар приходится на некодирующую часть? Сравните с человеком, у которого белки кодирует менее 1,5 % генома.

Задание 12

Зачем гигантской бактерии сотни тысяч копий генома?

Задание 13

Хлоропластный геном арабидопсиса — 154 478 пар нуклеотидов. Он содержит два инвертированных повтора по 26 264 пары и большой однокопийный участок 84 170 пар. Найдите длину малого однокопийного участка.

Задание 14

Геном вороньего глаза японского — около 148,9 млрд пар нуклеотидов, человека — 3,055 млрд. Во сколько раз он больше? Означает ли это, что растение сложнее человека?

Задание 15

Вилка репликации движется со скоростью 1000 нуклеотидов в секунду. За какое время две вилки скопируют хромосому кишечной палочки (4,64 млн пар)? Сколько суток копировалась бы хромосома из 248 млн пар при одной точке начала и скорости 50 нуклеотидов в секунду?

Задание 16

Две хромосомы холерного вибриона содержат 2 961 146 и 1 072 314 пар нуклеотидов. Найдите размер генома и долю малой хромосомы. Где, по-вашему, расположено большинство жизненно важных генов?

Задание 17

Опишите, что происходит с лактозным опероном: а) в среде без лактозы; б) после добавления лактозы. Почему такой способ регуляции выгоден бактерии?

Задание 18

В клетках женщины 30 % молекул мтДНК несут мутацию, а 70 % нормальны. Почему у её детей болезнь может проявляться с разной тяжестью?

Задание 19

В геноме Carsonella ruddii 159 662 пары нуклеотидов, ГЦ-состав 16,5 %. Найдите число нуклеотидов с гуанином и с аденином во всей двуцепочечной молекуле. Округлите до целых.

Задание 20

Объясните, почему у бактерий, живущих внутри клеток насекомых, геномы обычно меньше, чем у их свободноживущих родственников.

Задание 21

В клетке перед делением 8 копий плазмиды, и копии распределяются случайно. Какова вероятность, что дочерняя клетка не получит плазмиду? Как изменится ответ, если копий станет 16?

Литература

1. Sanger F., Air G. M., Barrell B. G. et al. Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 DNA // Nature. 1977. Vol. 265. P. 687–695.
2. Nurk S., Koren S., Rhie A. et al. The complete sequence of a human genome // Science. 2022. Vol. 376. P. 44–53.
3. Fleischmann R. D., Adams M. D., White O. et al. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd // Science. 1995. Vol. 269. P. 496–512.
4. Fraser C. M., Gocayne J. D., White O. et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium // Science. 1995. Vol. 270. P. 397–403.
5. Bult C. J., White O., Olsen G. J. et al. Complete genome sequence of the methanogenic archaeon, Methanococcus jannaschii // Science. 1996. Vol. 273. P. 1058–1073.
6. Goffeau A., Barrell B. G., Bussey H. et al. Life with 6000 genes // Science. 1996. Vol. 274. P. 546–567.
7. International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. 2001. Vol. 409. P. 860–921.
8. Koonin E. V., Wolf Y. I. Genomics of bacteria and archaea: the emerging dynamic view of the prokaryotic world // Nucleic Acids Research. 2008. Vol. 36. P. 6688–6719.
9. Shulgina Y., Eddy S. R. A computational screen for alternative genetic codes in over 250,000 genomes // eLife. 2021. Vol. 10. Art. e71402.
10. Blattner F. R., Plunkett G., Bloch C. A. et al. The complete genome sequence of Escherichia coli K-12 // Science. 1997. Vol. 277. P. 1453–1462.
11. Jacob F., Monod J. Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins // Journal of Molecular Biology. 1961. Vol. 3. P. 318–356.
12. Nakabachi A., Yamashita A., Toh H. et al. The 160-kilobase genome of the bacterial endosymbiont Carsonella // Science. 2006. Vol. 314. P. 267.
13. Bennett G. M., Moran N. A. Small, smaller, smallest: the origins and evolution of ancient dual symbioses in a phloem-feeding insect // Genome Biology and Evolution. 2013. Vol. 5. P. 1675–1688.
14. Schneiker S., Perlova O., Kaiser O. et al. Complete genome sequence of the myxobacterium Sorangium cellulosum // Nature Biotechnology. 2007. Vol. 25. P. 1281–1289.
15. Hutchison C. A., Chuang R. Y., Noskov V. N. et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome // Science. 2016. Vol. 351. Art. aad6253.
16. Heidelberg J. F., Eisen J. A., Nelson W. C. et al. DNA sequence of both chromosomes of the cholera pathogen Vibrio cholerae // Nature. 2000. Vol. 406. P. 477–483.
17. Harrison P. W., Lower R. P., Kim N. K., Young J. P. Introducing the bacterial «chromid»: not a chromosome, not a plasmid // Trends in Microbiology. 2010. Vol. 18. P. 141–148.
18. Hinnebusch J., Tilly K. Linear plasmids and chromosomes in bacteria // Molecular Microbiology. 1993. Vol. 10. P. 917–922.
19. Mendell J. E., Clements K. D., Choat J. H., Angert E. R. Extreme polyploidy in a large bacterium // PNAS. 2008. Vol. 105. P. 6730–6734.
20. Volland J. M., Gonzalez-Rizzo S., Gros O. et al. A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles // Science. 2022. Vol. 376. P. 1453–1458.
21. Tettelin H., Masignani V., Cieslewicz M. J. et al. Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial «pan-genome» // PNAS. 2005. Vol. 102. P. 13950–13955.
22. Ochman H., Lawrence J. G., Groisman E. A. Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation // Nature. 2000. Vol. 405. P. 299–304.
23. Casjens S., Palmer N., van Vugt R. et al. A bacterial genome in flux: the twelve linear and nine circular extrachromosomal DNAs in an infectious isolate of the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi // Molecular Microbiology. 2000. Vol. 35. P. 490–516.
24. Ogura T., Hiraga S. Mini-F plasmid genes that couple host cell division to plasmid proliferation // PNAS. 1983. Vol. 80. P. 4784–4788.
25. Lederberg J., Tatum E. L. Gene recombination in Escherichia coli // Nature. 1946. Vol. 158. P. 558.
26. Watanabe T. Infective heredity of multiple drug resistance in bacteria // Bacteriological Reviews. 1963. Vol. 27. P. 87–115.
27. Cohen S. N., Chang A. C., Boyer H. W., Helling R. B. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro // PNAS. 1973. Vol. 70. P. 3240–3244.
28. Zaenen I., Van Larebeke N., Van Montagu M., Schell J. Supercoiled circular DNA in crown-gall inducing Agrobacterium strains // Journal of Molecular Biology. 1974. Vol. 86. P. 109–127.
29. Chilton M. D., Drummond M. H., Merlo D. J. et al. Stable incorporation of plasmid DNA into higher plant cells: the molecular basis of crown gall tumorigenesis // Cell. 1977. Vol. 11. P. 263–271.
30. Mattiroli F., Bhattacharyya S., Dyer P. N. et al. Structure of histone-based chromatin in Archaea // Science. 2017. Vol. 357. P. 609–612.
31. Lundgren M., Andersson A., Chen L. et al. Three replication origins in Sulfolobus species // PNAS. 2004. Vol. 101. P. 7046–7051.
32. Breuert S., Allers T., Spohn G., Soppa J. Regulated polyploidy in halophilic archaea // PLOS ONE. 2006. Vol. 1. Art. e92.
33. Waters E., Hohn M. J., Ahel I. et al. The genome of Nanoarchaeum equitans: insights into early archaeal evolution and derived parasitism // PNAS. 2003. Vol. 100. P. 12984–12988.
34. Zaremba-Niedzwiedzka K., Caceres E. F., Saw J. H. et al. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity // Nature. 2017. Vol. 541. P. 353–358.
35. Imachi H., Nobu M. K., Nakahara N. et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface // Nature. 2020. Vol. 577. P. 519–525.
36. Archibald J. M. Endosymbiosis and eukaryotic cell evolution // Current Biology. 2015. Vol. 25. P. R911–R921.
37. McClintock B. The origin and behavior of mutable loci in maize // PNAS. 1950. Vol. 36. P. 344–355.
38. Arabidopsis Genome Initiative. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana // Nature. 2000. Vol. 408. P. 796–815.
39. Corradi N., Pombert J. F., Farinelli L. et al. The complete sequence of the smallest known nuclear genome from the microsporidian Encephalitozoon intestinalis // Nature Communications. 2010. Vol. 1. Art. 77.
40. Gilson P. R., Su V., Slamovits C. H. et al. Complete nucleotide sequence of the chlorarachniophyte nucleomorph: nature's smallest nucleus // PNAS. 2006. Vol. 103. P. 9566–9571.
41. Pellicer J., Fay M. F., Leitch I. J. The largest eukaryotic genome of them all? // Botanical Journal of the Linnean Society. 2010. Vol. 164. P. 10–15.
42. Fernández P., Amice R., Bruy D. et al. A 160 Gbp fork fern genome shatters size record for eukaryotes // iScience. 2024. Vol. 27. Art. 109889.
43. Meyer A., Schloissnig S., Franchini P. et al. Giant lungfish genome elucidates the conquest of land by vertebrates // Nature. 2021. Vol. 590. P. 284–289.
44. Gregory T. R. Synergy between sequence and size in large-scale genomics // Nature Reviews Genetics. 2005. Vol. 6. P. 699–708.
45. Anderson S., Bankier A. T., Barrell B. G. et al. Sequence and organization of the human mitochondrial genome // Nature. 1981. Vol. 290. P. 457–465.
46. Pagliarini D. J., Calvo S. E., Chang B. et al. A mitochondrial protein compendium elucidates complex I disease biology // Cell. 2008. Vol. 134. P. 112–123.
47. Wallace D. C., Singh G., Lott M. T. et al. Mitochondrial DNA mutation associated with Leber's hereditary optic neuropathy // Science. 1988. Vol. 242. P. 1427–1430.
48. Cann R. L., Stoneking M., Wilson A. C. Mitochondrial DNA and human evolution // Nature. 1987. Vol. 325. P. 31–36.
49. Smith D. R., Keeling P. J. Mitochondrial and plastid genome architecture: reoccurring themes, but significant differences at the extremes // PNAS. 2015. Vol. 112. P. 10177–10184.
50. Burger G., Gray M. W., Forget L., Lang B. F. Strikingly bacteria-like and gene-rich mitochondrial genomes throughout jakobid protists // Genome Biology and Evolution. 2013. Vol. 5. P. 418–438.
51. Sloan D. B., Alverson A. J., Chuckalovcak J. P. et al. Rapid evolution of enormous, multichromosomal genomes in flowering plant mitochondria with exceptionally high mutation rates // PLOS Biology. 2012. Vol. 10. Art. e1001241.
52. Rice D. W., Alverson A. J., Richardson A. O. et al. Horizontal transfer of entire genomes via mitochondrial fusion in the angiosperm Amborella // Science. 2013. Vol. 342. P. 1468–1473.
53. Timmis J. N., Ayliffe M. A., Huang C. Y., Martin W. Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes // Nature Reviews Genetics. 2004. Vol. 5. P. 123–135.
54. Sato S., Nakamura Y., Kaneko T. et al. Complete structure of the chloroplast genome of Arabidopsis thaliana // DNA Research. 1999. Vol. 6. P. 283–290.
55. Alkatib S., Scharff L. B., Rogalski M. et al. The contributions of wobbling and superwobbling to the reading of the genetic code // PLOS Genetics. 2012. Vol. 8. Art. e1003076.
56. Mira A., Ochman H., Moran N. A. Deletional bias and the evolution of bacterial genomes // Trends in Genetics. 2001. Vol. 17. P. 589–596.
57. Lynch M., Conery J. S. The origins of genome complexity // Science. 2003. Vol. 302. P. 1401–1404.
58. Lane N., Martin W. The energetics of genome complexity // Nature. 2010. Vol. 467. P. 929–934.
59. Lynch M., Marinov G. K. The bioenergetic costs of a gene // PNAS. 2015. Vol. 112. P. 15690–15695.
60. Кодификатор проверяемых требований и элементов содержания. Единый государственный экзамен 2027 года. Биология. М.: ФИПИ, 2026.