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Genomgröße

Die Genomgröße bezeichnet die Gesamtmenge an DNA in einer Kopie des Genoms.

Genomgrößen verschiedener Lebewesen (in Basenpaaren)

Eigenschaften

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Abstammungsbaum mit Genomgrößen
 
Genomgrößen und Genanzahl[1]

Die Genomgröße wird entweder in Picogramm, Dalton oder in Kilo- (kb) bzw. Megabasenpaaren (Mbp) angegeben. Ein Picogramm entspricht 978 Megabasenpaaren.[2] Bei diploiden Genomen entspricht die Genomgröße konventionsgemäß dem C-Wert, d. h., es wird haploid betrachtet.[3]

Das C-Wert-Paradoxon beschreibt den fehlenden linearen Zusammenhang zwischen DNA-Menge und der Komplexität eines Lebewesens bei Eukaryoten, der sich aus einer variierender Menge nichtcodierender DNA ergibt. Es gibt eine gewisse lineare Korrelation bei Bakterien, Archaeen, Viren und Organellen, nicht aber bei Eukaryoten.[4] Weiterhin gibt es eine gewisse Korrelation mit der Zellgröße, der Zellteilungsrate, und innerhalb einzelner Taxa auch weitere Parameter.[5][6] Daneben gibt es einen Zusammenhang zwischen der Genomgröße und der Chromatinkondensation.[7] Weitere Parameter zur Beschreibung eines Genoms sind die Gendichte und der GC-Anteil. Während bei der Entwicklung des Lebens eine generelle Tendenz zur Zunahme der Genomgröße mit der Zeit auftritt, sind die Reiche unter den Tieren mit den größten Genomen die Fische mit den Lungenfischen (142 pg, entsprechend 139.000 MB) und die Amphibien mit den Salamandern (83 pg, entsprechend 81.000 MB),[8]

Die Genomgröße in Tieren variiert um den Faktor 3.300 und bei Pflanzen um den Faktor 2.300.[9][6]

Art ungefähre Genomgröße (in Mbp) ungefähre Genanzahl Gendichte (in Genen/Mbp) Anmerkungen
Porcines Circovirus-1[10] 0,001759 2 1.137 kleinstes Genom eines autonom replizierenden Virus.
Carsonella ruddii[11] 0,16 182 1.138 kleinstes Genom eines Lebewesens, endosymbiontisches Bakterium
Nanoarchaeum equitans[12] 0,49 536 914 Archaee, parasitär
Mycoplasma genitalium[13] 0,58 800 860 Bakterium
Streptococcus pneumoniae[13] 2,2 2.300 1.060 Bakterium
Escherichia coli K12[13] 4,6 4.400 950 Bakterium
Saccharomyces cerevisiae[14] 12,05 6.213 516 Hefe, erster Pilz, dessen Genom 1996 vollständig sequenziert wurde
Schizosaccharomyces pombe[13] 12 4.900 410 Hefe
Plasmodium falciparum[14] 22,85 5.268 231 Erreger der Malaria
Entamoeba histolytica[14] 23,75 9.938 418 Amöbe
Trypanosoma spp.[14] 39,2 10.000 255 Flagellat
Tetrahymena thermophilus[13] 125 27.000 220 Protist
Aspergillus nidulans[14] 30,07 9.541 317 Schimmelpilz
Neurospora crassa[14] 38,64 10.082 261 Schimmelpilz
Caenorhabditis elegans[13] 103 20.000 190 Fadenwurm
Drosophila melanogaster[13] 180 14.700 82 Taufliege
Locusta migratoria[13] 5.000 Heuschrecke
Takifugu rubripes[13] 393 22.000 56 Kugelfisch
Bankivahuhn Gallus gallus[14] 1.050 21.500 20,5 Huhn
Homo sapiens[13] 3.200 20.000 6,25 Mensch
Mus musculus[13] 2.600 22.000 8,5 Hausmaus
Arabidopsis thaliana[13] 120 26.500 220 Pflanze
Oryza sativa[14] 466 60.256 129 Reis
Zea mays[13] 2.200 45.000 20 Mais
Picea glauca[15] 20.800 56.064 2,7 Fichte
Lepidosiren paradoxa[7] 78.400 Lungenfisch
Protopterus aethiopicus[16] 139.000 größtes tierisches Genom, Lungenfisch
Paris japonica[17] 150.000 größtes Blütenpflanzengenom, Einbeere
Tmesipteris oblanceolata[18] 160.450 größtes Eukaryotengenom, Stand 04.06.2024

Die Genomgröße wird an einer Zellkultur mit anschließender Feulgenreaktion unter einem Lichtmikroskop betrachtet und per Software ausgezählt[19] oder per Durchflusszytometrie bestimmt.

Für kleine Genome (DNA-Viren, Einzeller) wurde im Jahr 1991 von John W. Drake ein reziproker Zusammenhang zwischen der Mutationsrate und der Genomgröße postuliert.[20] Bei RNA-Viren ist die tendenziell noch kleinere Genomgröße ein Kompromiss zwischen der Mutationsrate und der Anzahl an Genen (Eigen-Paradoxon).[21] Die RNA-Polymerasen von RNA-Viren besitzen keine Fehlerkorrekturfunktion (kein proof-reading), wodurch die Genomgröße begrenzt wird. Eine Ausnahme bilden die Nidovirales, die eine proof-reading-Funktion mit der Exoribonuklease ExoN aufweisen, wodurch die Genomgröße weniger begrenzt wird.[22]

Umrechnung

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oder umgestellt:

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Einzelnachweise

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  1. ↑ Eugene V. Koonin: The Logic of Chance: The Nature and Origin of Biological Evolution. FT Press, 2011. ISBN 978-0-13-254249-4.
  2. ↑ a b Dolezel J, Bartoš J, Voglmayr H, Greilhuber J, Bartos, Voglmayr, Greilhuber: Nuclear DNA content and genome size of trout and human. In: Cytometry Part A. 51. Jahrgang, Nr. 2, 2003, S. 127–128, doi:10.1002/cyto.a.10013, PMID 12541287 (englisch).
  3. ↑ S. Ohno: The Number of Genes in the Mammalian Genome and the Need for Master Regulatory Genes. In: Major Sex-Determining Genes. Monographs on Endocrinology. Band 11. Springer, Berlin, 1979. ISBN 978-3-642-81261-3. S. 17.
  4. ↑ Y. Hou, S. Lin: Distinct gene number-genome size relationships for eukaryotes and non-eukaryotes: gene content estimation for dinoflagellate genomes. In: PloS one. Band 4, Nummer 9, September 2009, S. e6978, doi:10.1371/journal.pone.0006978, PMID 19750009, PMC 2737104 (freier Volltext).
  5. ↑ Bennett MD, Leitch IJ: [[The Evolution of the Genome]]. Hrsg.: T.R. Gregory. Elsevier, San Diego 2005, Genome size evolution in plants, S. 89–162 (englisch).
  6. ↑ a b Gregory TR: [[The Evolution of the Genome]]. Hrsg.: T.R. Gregory. Elsevier, San Diego 2005, Genome size evolution in animals, S. 3–87 (englisch).
  7. ↑ a b Alexander E. Vinogradov: Genome size and chromatin condensation in vertebrates. In: Chromosoma. 113, 2005, S. 362, doi:10.1007/s00412-004-0323-3.
  8. ↑ John Bernard: The Eukaryote Genome in Development and Evolution. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-94-011-5991-3, S. 281.
  9. ↑ Johann Greilhuber: Plant Genome Diversity Volume 2. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-3-7091-1160-4, S. 323.
  10. ↑ National Center for Biotechnology Information: Porcine circovirus 1 isolate PCV1-Eng-1970, complete genome GenBank: KJ408798.1. In: Genbank. Abgerufen am 24. Januar 2018 (englisch).
  11. ↑ A. Nakabachi, A. Yamashita, H. Toh, H. Ishikawa, H. E. Dunbar, N. A. Moran, M. Hattori: The 160-kilobase genome of the bacterial endosymbiont Carsonella. In: Science. Band 314, Nummer 5797, Oktober 2006, S. 267, doi:10.1126/science.1134196, PMID 17038615.
  12. ↑ S. Das, S. Paul, S. K. Bag, C. Dutta: Analysis of Nanoarchaeum equitans genome and proteome composition: indications for hyperthermophilic and parasitic adaptation. In: BMC genomics. Band 7, Juli 2006, S. 186, doi:10.1186/1471-2164-7-186, PMID 16869956, PMC 1574309 (freier Volltext).
  13. ↑ a b c d e f g h i j k l m James D. Watson: Molekularbiologie. Pearson Deutschland GmbH, 2011, ISBN 978-3-86894-029-9, S. 172–175.
  14. ↑ a b c d e f g h Antonio Fontdevila: The Dynamic Genome. OUP Oxford, 2011, ISBN 978-0-19-954137-9, S. 7.
  15. ↑ I. Birol, A. Raymond, S. D. Jackman, S. Pleasance, R. Coope, G. A. Taylor, M. M. Yuen, C. I. Keeling, D. Brand, B. P. Vandervalk, H. Kirk, P. Pandoh, R. A. Moore, Y. Zhao, A. J. Mungall, B. Jaquish, A. Yanchuk, C. Ritland, B. Boyle, J. Bousquet, K. Ritland, J. Mackay, J. Bohlmann, S. J. Jones: Assembling the 20 Gb white spruce (Picea glauca) genome from whole-genome shotgun sequencing data. In: Bioinformatics. Band 29, Nummer 12, Juni 2013, S. 1492–1497, doi:10.1093/bioinformatics/btt178, PMID 23698863, PMC 3673215 (freier Volltext).
  16. ↑ Northcutt RG. 1987. Lungfish neural characters and their bearing on sarcopterygian phylogeny. In The biology and evolution of lungfishes (ed. Bemis WE et al.), pp. 277–297. Alan R. Liss, New York.
  17. ↑ J Pellicer, M Fay, I Leitch: The largest eukaryotic genome of them all? In: Botanical Journal of the Linnean Society. 164. Jahrgang, Nr. 1, 2010, S. 10–15, doi:10.1111/j.1095-8339.2010.01072.x, PMID 16127452 (englisch, oup.com).
  18. ↑ Pol Fernández, Rémy Amice, David Bruy, Maarten J.M. Christenhusz, Ilia J. Leitch, Andrew L. Leitch, Lisa Pokorny, Oriane Hidalgo, Jaume Pellicer: A 160 Gbp fork fern genome shatters size record for eukaryotes. In: iScience. Mai 2024, ISSN 2589-0042, S. 109889, doi:10.1016/j.isci.2024.109889 (englisch).
  19. ↑ D. C. Hardie, T. R. Gregory, P. D. Hebert: From pixels to picograms: a beginners' guide to genome quantification by Feulgen image analysis densitometry. In: The journal of histochemistry and cytochemistry : official journal of the Histochemistry Society. Band 50, Nummer 6, Juni 2002, S. 735–749, doi:10.1177/002215540205000601, PMID 12019291.
  20. ↑ J W Drake: A constant rate of spontaneous mutation in DNA-based microbes. In: Proc Natl Acad Sci USA. 88. Jahrgang, 1991, S. 7160–7164, doi:10.1073/pnas.88.16.7160, PMID 1831267, PMC 52253 (freier Volltext) – (englisch).
  21. ↑ A Kun, M Santos, E Szathmary: Real ribozymes suggest a relaxed error threshold. In: Nat Genet. 37. Jahrgang, 2005, S. 1008–1011, doi:10.1038/ng1621, PMID 16127452 (englisch).
  22. ↑ C Lauber, JJ Goeman, C Parquet Mdel, P Thi Nga, EJ Snijder, K Morita, AE Gorbalenya: The footprint of genome architecture in the largest genome expansion in RNA viruses. In: PLoS Pathog. 9. Jahrgang, Nr. 7, Juli 2013, S. e1003500, doi:10.1371/journal.ppat.1003500 (englisch).
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