Συσχετισμός ανάμεσα στο μέγεθος του γονιδιώματος και στο μέγεθος του πυρήνα των ζωικών κυττάρων.

Transcript

1 Συσχετισμός ανάμεσα στο μέγεθος του γονιδιώματος και στο μέγεθος του πυρήνα των ζωικών κυττάρων. Κλεονίκη Μισιρλή Α Λυκείου, Εκπαιδευτήρια «Ο Απόστολος Παύλος» Επιβλέπων Καθηγητής: Κος Χαμαμτζόγλου Ιωακείμ Βιολόγος, Εκπαιδευτήρια «Ο Απόστολος Παύλος» ΠΕΡΙΛΗΨΗ Υπάρχει μεγάλη διακύμανση του μεγέθους του γονιδιώματος μεταξύ των διαφόρων ζώων. Ένα μεγάλο μέρος της διακύμανσης οφείλεται στην αλληλουχία του DNA, το οποίο δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Το μέγεθος του γονιδιώματος δε συσχετίζεται με το πόσο σύνθετο είναι ένα ζώο ή πόσα γονίδια έχει. Η υπόθεση που αποτελεί σημείο αναφοράς για την παρούσα εργασία είναι η εξής: Το μικρότερο ζωικό γονιδίωμα στο νηματώδες Pratylenchus coffeae, είναι 0,02 pg, ενώ το μεγαλύτερο μέγεθος γονιδιώματος ανήκει στο δίπνοο Protopterus aethiopicus, και είναι μεγαλύτερο από 132 pg. Υπάρχει δηλαδή περισσότερη από πλάσια διαφορά ως προς το περιεχόμενο του DNA. Αυτό σημαίνει πως οι δίπνοοι πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να χωρέσουν περισσότερο DNA στους πυρήνες των κυττάρων τους απ ότι τα νηματώδη. Καλούμαστε βέβαια να απαντήσουμε σε δύο ερωτήματα: Αν αυτό το γεγονός οδηγεί σε αλλαγή μεγέθους του πυρήνα ή αν υπάρχει συσχετισμός ανάμεσα στο μέγεθος του γονιδιώματος και στο μέγεθος του πυρήνα. Σ αυτήν την εργασία το υλικό αντλήθηκε από δυο τράπεζες πληροφοριών και καταγράφηκε το μέγεθος του γονιδιώματος και το μέγεθος του πυρήνα διάφορων αμφιβίων, πτηνών και ψαριών. Μέσα από το γράφημα που ακλούθησε φάνηκε, η σχέση μεταξύ του μεγέθους του γονιδιώματος και του πυρήνα. Σ αυτή τη σύγκριση δε συμπεριλήφθηκαν τα θηλαστικά, επειδή οι μετρήσεις του μεγέθους του πυρήνα τους γίνεται με ερυθροκύτταρα και τα θηλαστικά είναι εξαίρεση, αφού τα ερυθροκύτταρα δεν έχουν πυρήνα. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: μέγεθος γονιδιώματος, μέγεθος πυρήνα, σύγκριση ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κάθε ζωντανός οργανισμός έχει μια σειρά από πληροφορίες που καθορίζουν το πώς θα συγκροτηθεί ο οργανισμός, το πώς θα φτιάξει τις πρωτεΐνες που χρειάζεται και το

2 πώς θα λειτουργήσει. Αυτές οι πληροφορίες είναι αποθηκευμένες ως δεοξυριβονουκλεικό οξύ ή DNA στα κύτταρα του οργανισμού. Η βασική μονάδα του DNA το νουκλεοτίδιο - αποτελείται από ένα σάκχαρο, μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχο βάση. Το στοιχείο που μεταφέρει τις πληροφορίες είναι η βάση. Υπάρχουν τέσσερα είδη βάσεων, η αδενίνη (adenine), η κυτοσίνη (cytosine), η γουανίνη (guanine) και η θυμίνη (thymine) που συμβολίζονται με τα αρχικά των αντίστοιχων αγγλικών λέξεων Α, C, G και Τ, τα τέσσερα γράμματα του γενετικού αλφαβήτου. Ένας σχεδόν άπειρος αριθμός συνδυασμών μπορεί να δημιουργηθεί με την επανάληψη αυτών των τεσσάρων βάσεων, δίνοντας ο καθένας διαφορετικές εντολές για το πώς να δομηθούν οι διάφοροι οργανισμοί. Χρειάζονται πολλές νουκλεοτιδικές βάσεις, για να καθοριστούν όλες οι εντολές που χρειάζεται ένας οργανισμός. Το σύνολο των εντολών για τον άνθρωπο, περιλαμβάνει περισσότερα από 3δις. νουκλεοτίδια και, αν τα παρατάσσαμε σε γραμμή, οι βάσεις θα εκτείνονταν σε 1,83 μ. μήκος. Όλο αυτό το DNA πρέπει να χωρέσει σε ένα κύτταρο σχεδόν κάθε κύτταρο περιέχει το ίδιο σύνολο DNA. Για να χωρέσει όλο, το DNA τυλίγεται σφιχτά ελικοειδώς σε δομές, τα λεγόμενα χρωμοσώματα που βρίσκονται στον πυρήνα του κυττάρου. Καθένα είναι φτιαγμένο από μια αναδιπλωμένη έλικα DNA και συγκρατείται με τη βοήθεια διάφορων δομικών πρωτεϊνών. Οι οργανισμοί των οποίων τα κύτταρα περιέχουν ένα ζευγάρι χρωμοσωμάτων με ίδιο σχήμα και μέγεθος, χαρακτηρίζονται ως διπλοειδείς. Το ένα χρωμόσωμα είναι μητρικής και το άλλο πατρικής προέλευσης. Το σύνολο του γενετικού υλικού που συναντάμε στον πυρήνα ενός κυττάρου, δηλαδή όλο το DNA που περιέχεται στα 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων του ανθρώπινου κυττάρου, αποτελεί το ανθρώπινο γονιδίωμα. Το μέγεθος του γονιδιώματος μετριέται σε μονάδες βάρους. Όσο περισσότερο DNA υπάρχει στο κύτταρο, τόσο αυξάνεται το βάρος και μεγαλώνει το μέγεθος του γονιδιώματος. Το μέγεθος του μετριέται με πολύ μικρές μονάδες, τα πικογραμμάρια (pg) που είναι του γραμμαρίου. Οι μετρήσεις του μεγέθους του γονιδιώματος, αναφέρονται ως C-τιμή (C-value) και χρησιμοποιούνται για την σύγκριση του μεγέθους του γονιδιώματος μεταξύ των διάφορων ειδών. Σκοπός της εργασίας είναι να βρεθεί, αν η μεγάλη διακύμανση του μεγέθους του γονιδιώματος μεταξύ των διαφόρων ζώων οδηγεί σε ύπαρξη συσχετισμού ανάμεσα στο μέγεθος του γονιδιώματος και στο μέγεθος του πυρήνα. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Στο πρώτο βήμα αυτής της εργασίας έπρεπε να συγκεντρωθούν πληροφορίες για το μέγεθος του πυρήνα από μια ποικιλία ζώων. Οι τιμές αυτές αντλήθηκαν από την αντίστοιχη τράπεζα πληροφοριών. Για την παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η περιοχή του πυρήνα (nucleus area, NA). Πρώτα πρώτα βρέθηκε το μέγεθος της περιοχής του πυρήνα για 15 αμφίβια. Η επιλογή των συγκεκριμένων αμφιβίων δεν ήταν τυχαία. Επιλέχθηκαν τα αμφίβια αυτά,

3 που θα αναπαριστούσαν το σύνολο των μετρήσεων της περιοχής του πυρήνα, καθώς οι μετρήσεις κυμαίνονταν από 18,10 μm2 έως 412,71 μm2. Στη συνέχεια βρέθηκαν και οι αντίστοιχες C-τιμές (C-value) από την αντίστοιχη τράπεζα πληροφοριών για το μέγεθος του γονιδιώματος. Επειδή αναγράφονταν περισσότερες από μια C-τιμές, χρησιμοποιήθηκε ο μέσος όρος τους. Η διαδικασία αυτή επαναλήφθηκε για 20 πτηνά και 20 ψάρια. Για να είναι αξιόπιστο το τελικό αποτέλεσμα, ήταν απαραίτητο το άθροισμα όλων των δεδομένων να ξεπερνά τα 45. Για το λόγο αυτό, τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν στην παρούσα εργασία ανέρχονται στα 55. Τέλος οι τιμές για το μέγεθος του γονιδιώματος και οι μετρήσεις της περιοχής του πυρήνα των 55 ζώων, αναλύθηκαν με τη βοήθεια του Microsoft Excel σε γράφημα, για να φανεί η σχέση τους. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Όταν συγκεντρώθηκαν όλα τα δεδομένα (Πίνακας 1), περάστηκαν σε φύλλα του Microsoft Excel και αναλύθηκαν γραφικά. Δημιουργήθηκε ένα γράφημα διασποράς που σύγκρινε το μέγεθος της περιοχής του πυρήνα με το μέγεθος του γονιδιώματος. Σύμφωνα με αυτό το γράφημα (Παράσταση 1), παρατηρούμε τη σχέση των δυο μεγεθών. Πίνακας 1: Τιμές μετρήσεων της C-τιμής και της περιοχής του πυρήνα αμφιβίων, πτηνών και ψαριών. Επιστημονική Ονομασία Κοινή Ονομασία Περιοχή Πυρήνα (Νucleus C-τιμή (C-Areavalue)(pg) NA)μm Κατηγορία Bombina orientalis Oriental fire-bellied toad Αμφίβιο 8,18 52,22 Limnonectes limnocharis Japanese brown frog Αμφίβιο 4,15 30,40 Rana porosa Japanese pond frog Αμφίβιο 5,95 36,05 Rana tagoi Tago's brown frog Αμφίβιο 5,3 44,77 Ambystoma mexicanum Mexican axolotl Αμφίβιο 34,75 84,78 Ambystoma tigrinum Tiger salamander Αμφίβιο 31,67 64,32 Cryptobranchus alleganiensis Hellbender salamander Αμφίβιο ,08 Hynobius nebulosus Asiatic land salamander Αμφίβιο 19,2 83,32 Hynobius tsuensis Japanese clawed salamander Αμφίβιο 16,48 84,19 Proteus anguinus European cave salamander Αμφίβιο 49,39 118,63 Cynops pyrrhogaster Oriental fire-bellied newt Αμφίβιο 43,06 150,82

4 Notophthalmus viridescens Red-spotted newt Αμφίβιο 37,73 68,82 Triturus cristatus Great crested newt Αμφίβιο 23,46 89,46 Triturus vulgaris Common newt Αμφίβιο 25,45 106,7 Siren lacertina Greater siren Αμφίβιο 56,39 221,44 Glaucis hirsutus Rufous-breasted hermit Πτηνό 1,02 13,63 Thalurania furcata Fork-tailed woodnymph Πτηνό 0,99 9,07 Ardea herodias Great blue heron Πτηνό 1,47 13,67 Corvus monedula Westerm jackdaw Πτηνό 1,25 11,88 Cyanocitta cristata Blue jay Πτηνό 1,35 11,84 Garrulus glandarius Eurasian jay Πτηνό 1,24 11,88 Pica pica Black-billed magpie Πτηνό 1,25 10,72 Pipilo erythrophthalmus Rufous-sided towhee Πτηνό 1,41 9,78 Parus carolinensis Carolina chickadee Πτηνό 1,5 7,47 Dendroica caerulescens Black-throated blue warbler Πτηνό 1,4 11,03 Dendroica dominica Yellow-throated warbler Πτηνό 1,4 10,08 Sturnus vulgaris European starling Πτηνό 1,31 11,88 Regulus calendula Ruby-crowned kinglet Πτηνό 1,33 8,67 Catharus guttatus Hermit thrush Πτηνό 1,4 9,28 Turdus philomelos Song thrush Πτηνό 1,51 13,2 Contopus virens Eastern wood pewee Πτηνό 1,15 11,78 Sayornis phoebe Eastern phoebe Πτηνό 1,45 8,54 Pelecanus occidentalis Brown pelican Πτηνό 1,39 13,44 Amazona autumnalis Red-lored parrot Πτηνό 1,51 14,61 Nyctea scandiaca Snowy owl Πτηνό 1,68 14,85 Petromyzon marinus Sea lamprey Ψάρι 2,06 12,37 Carcharhinus obscurus Dusky shark Ψάρι 2,86 37,27 Prionace glauca Blue shark Ψάρι 4,3 42,19 Scyliorhinus canicula Smallspotted catshark Ψάρι 6,57 42,23 Mustelus canis Dusky smooth-hound shark Ψάρι 4,6 26,55 Dasyatis centroura Roughtail stingray Ψάρι 5,25 43,9 Leucoraja erinacea Little skate Ψάρι 3,48 40,24 Squalus acanthias Piked dogfish shark Ψάρι 6,57 38,95 Hemigrammus caudovittatus Buenos Aires tetra Ψάρι 1,76 21,21 Cyprinus carpio carpio Common carp Ψάρι 1,79 9,9

5 Tinca tinca Tench Ψάρι 0,97 6,6 Esox lucius Northern pike Ψάρι 1,12 11,88 Osmerus eperlanus European smelt Ψάρι 0,62 8,91 Tautoga onitis Tautog Ψάρι 0,93 9,66 Perca fluviatilis European perch Ψάρι 1,06 7,67 Rachycentron canadum Cobia Ψάρι 0,77 7,85 Salvelinus namaycush Lake trout Ψάρι 3,04 22,46 Thymallus arcticus Arctic grayling Ψάρι 1,99 16,12 Pimelodella gracilis Graceful pimelodella Ψάρι 0,88 10,6 Mola mola Ocean sunfish Ψάρι 0,9 18,02 Παράσταση 1: Σύγκριση μεγέθους περιοχής πυρήνα (ΝΑ) και μεγέθους γονιδιώματος. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Βασισμένοι στο αποτέλεσμα του γραφήματος, καταλήγουμε στο τελικό συμπέρασμα. Η ύπαρξη συσχετισμού ανάμεσα στο μέγεθος του πυρήνα και του γονιδιώματος είναι φανερή. Συνεπώς, το μέγεθος του πυρήνα θα αυξάνεται ανάλογα με το βάρος του γονιδιώματος. Η μεταξύ τους συσχέτιση θεωρείται αρκετά υψηλή, με

6 δείκτη r= 0,8806. Ακόμη, η συσχέτιση είναι θετική, καθώς όταν αυξάνεται η τιμή του μεγέθους του γονιδιώματος, αυξάνεται και η άλλη τιμή. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Carina Dennis & Richard Gallagher, (2004) Το ανθρώπινο Γονιδίωμα Ι, DNA (25-31, 36, 63-65) Gregory, T.R. (2008). Animal Genome Size Database. [Online] Available: Gregory, T.R. (2003, October 16).Cell Size Database. [Online] Available: National Center for Biotechnology Information. (2004, March 31). What Is a Genome? [Online] Available: National Human Genome Research Institute. (2007, December 27). A Brief Guide to Genomics. [Online] Available: Richard Walker, (2003) Γονίδια & DNA: Ο κώδικας και η μηχανική της ζωής. (26-29, 34-35) Science Buddies: Genetics & Genomics Project Ideas, How Much DNA Can You Pack into a Cell? [Online] Available: