ゲノムサイズ

ゲノムサイズとは、単一の完全なゲノムの 1 コピーに含まれるDNAの総量のことです。通常、質量はピコグラム (1 兆分の10 ⁻¹²グラム、略称 pg)で測定されますが、ダルトンで測定されることはまれです。また、ヌクレオチド塩基対の総数として、通常はメガベース (百万塩基対、略称 Mb または Mbp) で測定されます。1 ピコグラムは 978 メガベースに相当します。^{[ 1 ]}二倍体生物では、ゲノムサイズはC 値という用語とほぼ同義で使われることがよくあります。

生物の複雑さはゲノムサイズに直接比例するわけではなく、DNAの総量は生物の分類群によって大きく異なります。一部の単細胞生物は、理由は不明ですが、ヒトよりもはるかに多くのDNAを持っています（ジャンクDNAとC値を参照）。

1950年代以降、さまざまな分子技術の出現により、数千の真核生物のゲノムサイズが分析され、これらのデータは動物、植物、菌類のオンラインデータベースで入手可能です（外部リンクを参照）。真核生物の核ゲノムサイズは、通常、フェルゲン染色した核の濃度測定（以前は専用の濃度計を使用していましたが、現在はコンピュータ画像解析^{[ 2 ]}を使用する方が一般的です）またはフローサイトメトリーを使用して測定されます。原核生物では、パルスフィールドゲル電気泳動と完全なゲノムシーケンスが、ゲノムサイズ決定の主要な方法です。

核ゲノムのサイズは、真核生物種間で大きく異なることがよく知られています。動物では3,300倍以上、陸上植物では約1,000倍の差があります。^{[ 3 ] [ 4 ]}原生生物のゲノムは30万倍以上のサイズの違いがあると報告されていますが、この範囲の上限（アメーバ）については疑問が呈されています。

真核生物のゲノムサイズは生物の複雑さに比例すると考えられていたが、20世紀半ばには、近縁種間でもゲノムサイズが大きく異なることが明らかになった。この直感に反する観察結果から、「C値のパラドックス」として知られる現象が生まれた。

1960年代末までに、この「パラドックス」は反復DNAの発見と、ゲノムサイズの差異の多くが反復DNAの存在または非存在によるものであるという認識によって解決された。当時のさらなる進歩により、大きなゲノムのDNAの大部分は機能を持たないジャンクDNAであり、機能的なDNA（遺伝子の機能部分を含む）はごく一部に過ぎないことが示された。

ゲノムサイズは、細胞サイズ、細胞分裂速度、分類群によっては体サイズ、代謝速度、発生速度、器官の複雑さ、地理的分布、絶滅リスクなど、細胞レベルおよび生物レベルで測定可能なさまざまな特性と相関関係があります。 ^{[ 3 ] [ 4 ]}現在入手可能な完全に配列決定されたゲノムデータ（2009 年 4 月現在）に基づくと、対数変換された遺伝子数は、細菌、古細菌、ウイルス、およびオルガネラを合わせた対数変換されたゲノムサイズと線形相関を形成しますが、真核生物では非線形（半自然対数）相関が見られます。^{[ 5 ]}後者は、真核生物には相関がないという以前の見解とは対照的ですが、真核生物で観察された非線形相関は、ますます大きくなる真核生物ゲノムにおける不均衡に急速に増加するジャンク DNAを反映している可能性があります。配列決定されたゲノムデータは実際には小さなゲノムに偏っており、経験的に導き出された相関関係の精度を損なう可能性があるものの、相関関係の最終的な証明は、最大の真核生物ゲノムのいくつかを配列決定することによって得られる必要があるが、現在のデータは相関関係の可能性を否定するものではないようだ。

ヒトゲノムサイズ

ヒトでは、細胞あたりの女性の二倍体核ゲノムの総量は6.37ギガ塩基対（Gbp）、 長さは208.23 cm、重さは6.51ピコグラム（pg）である。^{[ 6 ]}男性の値は6.27 Gbp、205.00  cm、6.41 pgである。^{[ 6 ]}各DNAポリマーは、染色体1のように数億個のヌクレオチドを含むことができる。染色体1は、約2億2000万塩基対を持つ最大のヒト染色体であり、 伸ばした状態では長さ85mm。^{[ 7 ]}

真核生物では、核DNAに加えて、ミトコンドリアで使用される特定のタンパク質をコードするミトコンドリアDNA （mtDNA）も存在します。mtDNAは通常、核DNAに比べて比較的小さいです。たとえば、ヒトのミトコンドリアDNAは閉じた環状分子を形成し、各分子は16,569 ^{[ 8 ] [ 9 ]}のDNA塩基対を含み、^{[ 10 ]}、各分子は通常、ミトコンドリア遺伝子の完全なセットを含んでいます。ヒトのミトコンドリアは平均して約5個​​のmtDNA分子を含んでいます。^{[ 10 ]}ヒトの細胞にはそれぞれ約 100 個のミトコンドリアが含まれており、ヒトの細胞 1 個あたりの mtDNA 分子の総数は約 500 個になります。^{[ 10 ]}ただし、細胞あたりのミトコンドリアの量は細胞の種類によっても異なり、卵細胞には 100,000 個のミトコンドリアが含まれることがあり、これは最大 1,500,000 コピーのミトコンドリアゲノムに相当します (細胞の DNA の最大 90% を構成します)。^{[ 11 ]}

ゲノム縮小（ゲノム劣化とも呼ばれる）とは、生物のゲノムが祖先のゲノムに比べて縮小していく過程のことである。ゲノムのサイズは定期的に変動するが、ゲノムサイズの縮小は細菌において最も顕著である。

ゲノム縮小の進化的に最も重要な事例は、細菌由来であることが知られている真核生物の細胞小器官、すなわちミトコンドリアと色素体に見られる。これらの細胞小器官は、宿主細胞内で生存することができ、宿主細胞もまた生存のために必要としていた原始的な細胞内共生体から派生したものである。現代のミトコンドリアの多くは、ゲノム全体に20個未満の遺伝子しか持たないのに対し、現代の自由生活性細菌は一般的に少なくとも1,000個の遺伝子を持っている。多くの遺伝子は宿主核に移行したと考えられているが、他の遺伝子は単に失われ、その機能は宿主のプロセスによって置き換えられたと考えられる。

他の細菌は細胞内共生体または偏性細胞内病原体となり、その結果としてゲノムの大幅な縮小を経験しました。このプロセスは、より小さなゲノムに対する選択とは対照的に、個体群サイズの小ささ、低い組換え率、および高い突然変異率に起因する遺伝的浮動によって支配されているようです。一部の自由生活性の海洋細菌プランクトンもゲノム縮小の兆候を示しており、これは自然選択によって引き起こされていると仮説が立てられています。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}対照的に、陸生原核生物は、水生および宿主関連原核生物の両方よりも大きなゲノムサイズを持っているようです（陸生の平均は3.7 Mbp、水生は3.1 Mbp、宿主関連は3.0 Mbp）。^{[ 15 ]}

${\displaystyle {\text{number of base pairs}}={\text{mass in pg}}\times 9.78\times 10^{8}}$

または単に：

${\displaystyle 1{\text{pg}}=978{\text{ Mbp}}}$^{[ 1 ]}

1991年、ジョン・W・ドレイクは、ゲノム内の突然変異率とそのサイズは反比例するという一般的な法則を提唱した。^{[ 25 ]}この法則は、 DNAウイルスや単細胞生物などの単純なゲノムに対してはおおよそ正しいことがわかっている。その根拠は不明である。

RNAウイルスのサイズが小さいのは、複製忠実度、ゲノムサイズ、遺伝的複雑性の3つの要素間の関係によるものだと提唱されている。ほとんどのRNAウイルスはRNA校正機能を欠いており、これが複製忠実度を制限し、ひいてはゲノムサイズを制限している。これはアイゲンパラドックスとも呼ばれている。^{[ 26 ]} RNAウイルスのゲノムサイズが小さいという規則の例外はニドウイルスに見られる。これらのウイルスは3'から5'のエキソリボヌクレアーゼ（ExoN）を獲得したようで、これによりゲノムサイズが増加したと考えられる。^{[ 27 ]}

1972年にマイケル・デイビッド・ベネット^{[ 28 ]}はDNA含有量と核容積の間に相関関係があると仮説を立てたが、それ以前のコモナー、ファン・ト・ホフ、スパロウは細胞サイズや細胞周期の長ささえもDNA量によって制御されていると仮定した^{[ 29 ] [ 30 ]} 。より最近の理論では、ゲノムの発達を物理的に最適なサイズに制限するメカニズムが存在する可能性について議論している^{[ 31 ] 。}

これらの説明は、Cavalier-Smithの論文^{[ 32 ]}で異議を唱えられており、  著者は、ゲノムサイズと細胞体積の関係を理解する方法は骨格理論に関連していると指摘している。この理論の核は、細胞体積に関連しており、細胞サイズが大きいことの利点と欠点の間の適応バランス、核と細胞質の比率(核質比) ^{[ 33 ] [ 34 ]}の最適化、およびより大きなゲノムは非コード骨格 DNA の含有量が高い結果として重複トランスポゾンの蓄積に陥りやすいという概念によって決定される。^{[ 32 ]} Cavalier-Smith はまた、細胞縮小の結果として、核は重複よりも削除を有利にする選択を受けやすくなると提案した。^{[ 32 ]}

経済的な観点から言えば、リンとエネルギーは希少な資源であるため、何らかの利益が得られない限り、進化の焦点は常にDNAの削減にあるべきである。ランダムな欠失は、獲得される適応度の低下により、主に有害であり選択されないが、場合によっては排除が有利になることもある。この非コードDNAの経済性と蓄積との間のトレードオフこそが、核質比の維持の鍵となる。

ゲノム小型化プロセスの根本的な疑問は、それが大きなステップで起こるのか、それとも遺伝子内容の絶え間ない侵食によって起こるのかということである。このプロセスの進化を評価するには、祖先ゲノムと縮小が起こったとされるゲノムを比較する必要がある。Buchnera aphidicolaと腸内細菌Escherichia coliの遺伝子内容の類似性のおかげで、16S rDNA の 89% の同一性とオルソロガス遺伝子の 62% の同一性により、ゲノム小型化のメカニズムを解明することができた。^{[ 35 ]}内共生細菌B. aphidicolaのゲノムは、E. coliの 7 分の 7 のゲノムサイズ(4.6 Mb に対して 643 kb)が特徴であり^{[ 36 ] [ 37 ]}、腸内細菌の遺伝子インベントリのサブセットと見なすことができる。^{[ 37 ]} 2 つのゲノムの対決から、一部の遺伝子が部分的に分解された状態で残存していることが明らかになった。^{[ 37 ]}これは、その過程で機能が失われ、リケッチアで記録されているように、その後の侵食イベントによって長さが短縮されたことを示している。^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}この仮説は、ブフネラの偽遺伝子の分析によって確認されており、挿入と比較して欠失の数が 10 倍以上多かった。^{[ 40 ]}

リケッチア・プロワゼキイでは、他の小型ゲノム細菌と同様に、この共生性内共生体は機能活性が大幅に低下しているが、他の寄生体と比べると、宿主が必要とするアミノ酸の生合成能力は依然として保持している。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 37 ]}この内共生体と他の寄生体とのゲノム縮小の共通効果は、リン脂質、修復、組換えの産生能力の低下、および突然変異と置換による遺伝子構成の全体的なAT含有量の増加である。^{[ 43 ] [ 16 ] [ 41 ]}修復と組換え機能の欠失の証拠は、組換え酵素経路に関与する遺伝子rec Aの喪失である。この事象は、合計でほぼ10 kbの10個の遺伝子を含むより大きな領域の除去中に発生した。^{[ 37 ] [ 41 ]}同様のことが、紫外線曝露による損傷したDNAの修復に関与する切除酵素をコードする遺伝子であるuvr A、uvr B、uvr Cでも起こった。 ^{[ 35 ]}

ゲノム縮小の説明として最も妥当なメカニズムの 1 つは染色体再編成です。なぜなら、相同組換えでは非相同組換えに比べて配列のより大きな部分の挿入/欠失が容易に観察されるため、転移因子の拡散は欠失率にプラスの影響を与えるからです。^{[ 32 ]}小型化の初期段階でのこれらの遺伝子の喪失は、この機能だけでなく、その後の欠失の進化にも役割を果たしたに違いありません。バックネラのゲノムと再構築された祖先のゲノムを比較すると、実際には失われた遺伝子が祖先の遺伝子にランダムに分散しているのではなく、凝集しており、失われた遺伝子の数とスペーサーの長さの間に負の相関関係があることから、より小さな欠失が発生する前に、より大きな除去イベントが発生したという事実の証拠が得られます。^{[ 35 ]}小さな局所的挿入欠失イベントは、特に初期段階でより多くの遺伝子が不要になったときに、ゲノム縮小にわずかな役割を果たします。^{[ 44 ] [ 45 ] [ 35 ]}

単一のイベントは、特に以前の欠失中に機能を失った経路の一部である場合、遺伝子の保持に対する選択圧の欠如によって発生した。この例として、rec Aの機能に必要な遺伝子であるrec Fとその隣接遺伝子の欠失が挙げられる。^{[ 46 ]}このような配列の除去の結果の 1 つは、残りの遺伝子の調節にも影響を及ぼした。ゲノムの大部分の喪失は、実際にはプロモーター配列の喪失につながる可能性がある。これは実際には、サイズの縮小^{[ 47 ]と転写効率[ 48 ]}の両方にプラスの効果をもたらすポリシストロン領域の進化に対する選択を押し進めた可能性がある。

ゲノムの小型化の一例は、好気性真菌から進化した動物の嫌気性細胞内寄生虫である微胞子虫に見られる。

この過程で、ミトコンドリアが縮小し、鉄硫黄中心の生成と宿主細胞への侵入能力を除いてゲノムと代謝活動が失われた遺物となった結果、ミトソーム^{[ 49 ]が形成された。 [ 50 ] [ 51 ]}小型化されたリボソームを除いて、他の多くの細胞小器官は、真核生物で見つかった最小のゲノムの形成過程でほぼ失われた。^{[ 32 ]}接合菌類菌類 である可能性のある祖先から、微胞子虫はゲノムを縮小し、約1000個の遺伝子を除去し、タンパク質とタンパク質コード遺伝子のサイズさえも縮小した。^{[ 52 ]}この極端なプロセスは、寄生によって課せられたより小さな細胞サイズに対する有利な選択のおかげで可能になった。

小型化のもう1つの例は、クリプト藻類とクロララクネア類という2種類の藻類の細胞内に核様体、すなわち束縛された核が存在することによって表される。^{[ 53 ]}

核様体は、既知のゲノムの中で最も小さいものの一つ（551 kb と 380 kb）を特徴としており、微胞子虫で観察されたように、非コード DNA がほとんどないため、一部のゲノムは他の真核生物と比較して長さが著しく短くなっています。^{[ 32 ]}最も興味深い要素は、このようなゲノム縮小を経験したことのない別の核を含む細胞内に、これらの小さな核が共存していることです。さらに、宿主細胞の体積が種によって異なり、その結果としてゲノムサイズにばらつきがあっても、核様体は不変のままであり、同じ細胞内での選択の二重効果を示しています。

• 動物ゲノムサイズデータベース
• 植物DNA C値データベース（2019年3月10日時点のアーカイブ）
• 真菌ゲノムサイズデータベース（ 2013年2月7日時点、 Wayback Machineにアーカイブ）
• 菌類データベース（ 2008年3月10日時点、 Wayback Machineにアーカイブ）— CBS