به کل ماده ژنتیکی موجود در داخل یک سلول ، ژنوم گفته می‌شود و اندازه ژنوم در موجودات مختلف متغیر است. ولی در هر گونه از موجودات اندازه ژنوم یکسان است.
اطلاعات اولیه
در ساده‌ترین حالت یک ژن را می‌توان به صورت قطعه‌ای از یک مولکول DNA و حاوی رمز برای توالی اسید آمینه‌ای یک رشته پلی پپتیدی و توالیهای تنظیم کننده لازم برای بروز آن در نظر گرفت. در بین جانداران دو نوع سلول یوکاریوت و پروکاریوت در نظر گرفته می‌شود. جانداران یوکاریوت به جاندارنی گفته می‌شود که سلولهای آنها دارای هسته است و مولکولهای DNA آنها در داخل ساختمانهایی به نام کروموزوم درهسته بسته بندی شده‌اند. در جانداران پروکایوت هسته مشخص و کروموزومها یافت نمی‌شوند و مولکولهای DNA در ساختارهایی به نام نوکلوئید که فاقد پروتئینهای هیستون هستند مجتمع می‌شوند. به مجموعه این ژنها در هر سلول در جانداران مختلف ژنوم آن جاندار گفته می‌شود.
ژنوم ویروسها
ژنوم ویروسها ساختمان ساده‌ای دارند که معمولا فقط از مقداری پروتئین و مقداری اسید نوکلئیک تشکیل شده است (در ویروسهای پوشش‌دار یک لایه لیپیدی نیز وجود دارد). اسید نوکلئیک موجود در ویروسها ممکن است، RNA یا DNA باشد. ولی در هیچ ویروسی DNA و RNA باهم وجود ندارد. RNA و DNA موجود در ویروسها ممکن است تک رشته‌ای یا دو رشته‌ای باشند. همچنین در مورد ویروسهای DNAدار ممکن است ژنوم آنها به صورت خطی یا حلقوی باشد. ولی در ویروسهای RNAدار ، ژنوم همواره به صورت خطی خواهد بود. در بعضی از ویروسها برای مثال رترو ویروسها که عامل بیماری ایدز هستند، در بین آنها می‌باشد. ژنوم به صورت یک قطعه‌ای نبوده ، بلکه چند قطعه‌ای می‌باشد.
اندازه ژنوم ویروسها
اندازه ژنوم ویروسها یکسان نیست و حدودا بین 3 کیلو باز تا 200 کیلو باز متغیر می‌باشد. وزن ژنوم ویروسها در حدود 1.7 الی 106×13 می‌باشد. همانطوری که از مثالهای فوق مشخص است، تفاوت خاصی بین اندازه ژنوم ویروسهای مربوط به پروکاریوتها و ویروسهای مربوط به یوکارویوتها وجود ندارد. نکته جالب دیگر در مورد ژنوم ویروسها این است که مولکولهای دیگری مانند پلی پپتیدها و آمینو اسیدها و قندها ممکن است به صورت کووالانسی به اسیدهای نوکلئیک ویروسها متصل شوند.
برای مثال در باکتریوفاژ T ، زوج T4 , T2 به جای سیتوزین ، 5-هیدروکسی متیل سیتوزین وجود دارد که عامل OH- ، هیدروکسی متیل سیتوزینمعمولا با قند گلوکز جایگزین می‌شود. این عمل ، محافظت ژنوم ویروس در مقابل آنزیمهای نوکلئاز میزبان را سبب می‌شود.
ژنوم پروکاریوتها
ژنوم پروکاریوتها یک مولکول DNA حلقوی است که به میزان زیادی پیچ خورده و به صورت فرا پیچیده در آمده است. تا خوردن و فراپیچش برای جای گرفتن ژنوم در داخل سلول بسیار ضروری است. زیرا اندازه معمولی ژنوم در پروکاریوتها بسیار بزرگتر از اندازه سلول باکتری است. برای مثال طول DNA کامل Ecoli بدون واپیچش حدود 100mm است. در حالی که طول خود سلول Ecoli حدود 2 میکرومتر می‌باشد و جای دادن این DNA در داخل EColi به تا خوردن زیادی نیاز دارد. اندازه ژنوم معمولی باکتریها در حدود 109 الی 1010 دالتون می‌باشد.
مثلا EColi دارای ژنومی با وزن 2.7x109 دالتون و با حدود 4600 کیلو جفت باز می‌باشد. این اندازه به میزان قابل توجهی کوچکتر از ژنوم یوکاریوتها می‌باشد. ولی از اندازه ژنوم ویروسها بزرگتر است. در بسیاری از باکتریها علاوه بر ژنوم اصلی ، در حدود 20-1 مولکول کوچک DNA حلقوی وجود دارد که پلاسمید خوانده می‌شوند. اندازه پلاسمیدها کوچک بوده و در حدود اندازه ژنوم ویروسها می‌باشد. پلاسمیدها قدرت تکثیر دارند و با نظم خاصی متناسب با تقسیم باکتریها تکثیر می‌شوند.
بطوری که تعداد آنها درون سلول باکتری همواره ثابت است. مشخصه اصلی پلاسمیدها این است که اطلاعات مربوط به بعضی از خصوصیات باکتریها ، مثلا مقاومت به آنتی بیوتیکها یا توانایی مصرف مواد و غیره بر روی پلاسمید قرار دارند و با انتقال یک پلاسمید از یک باکتری به باکتری دیگر این خصوصیات نیز منتقل می‌شود. امروزه پلاسمیدها نقش مهمی در زمینه کارهای مهندسی ژنتیک بر عهده دارند.
ژنوم میتوکندری و کلروپلاست
این ژنومها از نظر بسیاری از خصوصیات شبیه ژنوم باکتریها می‌باشد. این ژنومها نیز به صورت DNA حلقوی فرا پیچیده هستند. اندازه این ژنومها در یوکاریوتهای مختلف متفاوت است. برای مثال اندازه کلروپلاست در گیاهان مختلف حدود 120 - 20 کیلو جفت باز می‌باشد. ولی اندازه ژنوم میتوکندری محدوده وسیعتری دارد و حدود 200 - 16 کیلو جفت باز می‌باشد.
میتوکندری یوکاریوتهای عالی‌تر ژنوم کوچکتری نسبت به میتوکندری یوکاریوتهای پست دارند. برای مثال اندازه ژنوم میتوکندری انسان 16569 جفت باز می‌باشد. در حالی که اندازه ژنوم میتوکندری مخمر حدود 90000 جفت باز می‌باشد. دانشمندان علت کوچکتر شدن ژنوم میتوکندری در یوکاریوتهای عالی‌تر را خارج شدن ژنها از میتوکندری و ورود آنها به داخل ژنوم میزبان می‌دانند. این مطلب امروزه تا حدودی به اثبات رسیده است.
ژنوم یوکاریوتها
اندازه ژنوم موجودات یوکاریوت از مخمر گرفته تا انسان ، نسبت به ژنومهای قطعات مختلف DNA ، رشته‌ای است که هنگام تقسیم سلولی به صورت کروموزومها قابل مشاهده هستند. این ساختار ناشی از وجود هیستونها در داخل ژنوم یوکاریوتها می‌باشد. اندازه ژنوم یوکاریوتها 1015 - 1010 جفت باز متغیر می‌باشد که در تعداد متفاوتی از کروموزومها وجود دارند.
اندازه کروموزومها و تعداد آنها در هر گونه از یوکاریوتها ثابت می‌باشد. نکته دیگر در مورد یوکاریوتها محصور بودن ژنوم آنها در داخل هسته می‌باشد. وجود غشای هسته باعث می‌شود که اعمال همانندسازی و نسخه برداری DNA در خارج از محیط داخلی سلول صورت بگیرد که این مطلب خود یک عامل تنظیمی برای ژنها می‌باشد.
توالیهای با تکرار زیاد
نکته مهم و جالب توجه دیگر در مورد ژنوم یوکاریوتها ، وجود توالیهای تکرار شونده در ژنوم آنهاست. این توالیهای تکراری در ژنوم تمامی یوکاریوتها وجود دارد و ممکن است تا 10 میلیون بار تکرار شوند. توالی تکرار شونده ممکن است تا حدود 100 نوکلوتید را شامل شود. این توالیها را توالیهایی با تکرار زیاد می‌نامند. در کنار توالیهای با تکرار زیاد ، توالیهای دیگری با تکرار متوسط نیز وجود دارند که طول آنها بیشتر از طول توالیهای با تکرار زیاد می‌باشد. این توالیها معمولا تعداد کمتری (حدود 1000) دارند.
نقش توالیها با تکرار زیاد
دخالت در سازمان دهی DNA یوکاریوتها می‌باشد. برای مثال این توالیها در سانترومر وجود دارند. توالیهای با تکرار متوسط گاهی نقش ساختمانی نیز دارند. برای مثال ژنهای RNA ریبوزومی در بعضی از موجودات مثلا وزغها به صورت تکرار متوسط هستند و حدود 1000 نسخه از آن وجود دارد.
همچنین به دلیل قرار گرفتن توالیهای با تکرار متوسط در محلهای خاص نسبت به ژنهای ساختمانی ، به این توالیها نقش تنظیمی نیز نسبت داده شده است. با توجه به حجم زیاد توالیهای تکراری در ژنوم یوکاریوتها ، ژنهای ساختمانی بطور تخمینی فقط حدود 10 درصد کل DNA سلول یوکاریوتها را تشکیل می‌دهند.