Hafa flóknari heilkjarna lífverur fleiri litninga en þær einfaldari?

Litningar bera erfðaefni lífvera. Fjöldi þeirra er mismunandi milli lífvera og gerðirnar einnig. Mestur munur er á byggingu litninga baktería, sem eru einnig kallaðar dreifkjörnungar, og heilkjörnunga.

Pistill þessi birtist á vísindavefnum 23. maí 2014. 

Arnar Pálsson. „Hafa flóknari heilkjarna lífverur fleiri litninga en þær einfaldari?“. Vísindavefurinn 23.5.2014. http://visindavefur.is

Upprunalega spurningin hljóðaði svona:

Fer það eftir því hversu flókin heilkjarna lífvera er hversu marga litninga hún hefur í hverri frumu?

Heilkjörnungar eru til dæmis dýr, plöntur, sveppir og frumdýr. Bakteríur eru með hringlaga litning (eða litninga) en heilkjörnungar eru með línulega litninga. Einnig er algengt að bakteríur séu með litla aukalitninga, svokölluð plasmíð. Þau bera oft sérstök gen sem geta hjálpað bakteríunni við ákveðin verkefni. Til dæmis er algengt að sýklalyfjaþol (lyfjaónæmi) erfist á plasmíðum, sem er einstaklega bagalegt því bakteríur eiga frekar auðvelt með að skiptast á plasmíðum.

Menn hafa 46 litninga (23 litningapör) en margar lífverur eru með miklu fleiri.

Heilkjörnungar eru með mismarga litninga. Menn hafa til að mynda 46 litninga. Ávaxtaflugan Drosophila melanogaster hefur fjögur litningapör, kynlitning (X og Y), tvo stóra litninga og einn litningsstubb sem inniheldur innan við hundrað gen. Kvendýr maursins Myrmecia pilosula hafa bara eitt par litninga. Á hinum enda rófsins eru vatnakarpi með 104 litninga, Agrodiaetus-fiðrildið (Agrodiaetus shahrami) með 268 og burknategundin Ophioglossum reticulatum með 1260 litninga. Svakalegustu litningatölurnar finnast meðal frumdýra. Þau eru einfrumungar og hafa mörg þeirra tvo kjarna. Annar kjarninn, kallaður smákjarni, er geymdur fram að kynæxlun og hefur venjulegan fjölda litninga. Hinn kjarninn, kallaður stórkjarni, sér um daglegan rekstur dýrsins. Í honum eru þúsundir litninga, sem verða til við að venjulegir litningar eru bútaðir niður í eins eða tveggja gena bita. Í stórkjarna frumdýrsins Oxytricha trifallax fundust til dæmis um það bil 15993 litningar. Frumdýrið er alls ekki jafn flókið og maður, en er samt með dágóðan slatta af litningum. Ef við skoðum bara fjölda litninga þá virðist sem einfaldar lífverur (bakteríur) hafi færri litninga en flóknar lífverur (heilkjörnungar). En málið er ekki alveg svona einfalt. Fjöldi litninga segir ekki allt. Ráðgátur C- og G-gildisins Um miðja tuttugustu öld voru þróaðar aðferðir til að mæla heildarmagn DNA í frumum. Þessi svokölluðu C-gildi voru reiknuð fyrir ólíkar lífverur. Það kom heilmikið á óvart að ekkert samband var á milli stærðar erfðamengisins og því hversu flókin dýrin eða lífverurnar voru. C-gildi mannsins var til að mynda mun lægra (3,5) en frosksins Necturus lewisi (120,60) og plöntunar Paris japonica (148). Þetta var kallað ráðgáta C-gildisins.

Paris japonica.

Með tilkomu raðgreiningartækni undir lok síðustu aldar var hægt að finna öll genin í erfðamengjunum, og telja þau. Í ljós kom að fjöldi gena er mjög ólíkur á milli lífvera. Bakteríur hafa flestar 4000 til 6000 gen. Gersveppurinn um 7000 stykki en ávaxtaflugur 14000. Menn hafa um 25000 gen, en sumir fiskar og plöntur helmingi fleiri. Sett var fram sú tilgáta að fjöldi gena útskýrði hversu flóknar lífverur væru en það kom í ljós að það er ekki samband á milli fjölda gena og þess hversu flóknar lífverur eru. Þetta var kallað ráðgata G-gildisins. Tilgátur um að fjöldi litninga, heildarmagn DNA og fjöldi gena útskýrðu muninn á byggingu og fjölbreytileika lífvera hafa því verið afsannaðar. Nú hallast flestir að þeirri tilgátu að munurinn á einföldum og flóknari lífverum byggist á því hvaða gen eru til staðar og hvernig þeim sé stjórnað. Genastjórn er mjög fjölbreytt, og það hefur komið í ljós að flest gen heilkjörnunga eru forskriftir að nokkrum skyldum en samt ólíkum prótínum. Slíkt finnst ekki í bakteríum og er mjög óalgengt í einföldum sveppum. Framleiðslu ólíkra prótína af þessu tagi er stjórnað af flóknu neti prótína og sameinda, sem byggja undraverð form eins og blóm Paris japonica eða auga kolkrabbans. Samantekt

• Það er munur á fjölda litninga, gena og magns á erfðaefni milli baktería og heilkjörnunga.
• Munur á þessum þáttum dugir samt ekki til að útskýra muninn á ólíkum og misflóknum dýrum.
• Flestir líffræðingar telja að eiginleikar gena og stjórnkerfa frumna skipti meira máli fyrir þróun flókinna dýra eins og manns og kolkrabba.

Heimildir og mynd:

• Gagnagrunnur um stærð erfðemengja sveppa.
• Gagnagrunnur um stærð erfðamengja dýra.
• Gagnagrunnur um stærð erfðamengja plantna.
• Chengke Bai, William S. Alverson, Aaron Follansbee og Donald M. Waller. New reports of nuclear DNA content for 407 vascular plant taxa from the United States. Annals of Botany 110: 1623 – 1629, 2012.
• Estienne C. Swart o.fl. The Oxytricha trifallax Macronuclear Genome: A Complex Eukaryotic Genome with 16,000 Tiny Chromosomes. PLOS Biology 11(1): 29. janúar 2013.
• Mynd af litningum: Human genome.png - Wikimedia Commons. (Sótt 15. 5. 2014).
• Mynd af Paris japonica: Paris japonica Kinugasasou zoom in Hakusan 2010 7 18.JPG - Wikimedia Commons. (Sótt 15. 5. 2014).