Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нуклеотидные связи, показывающие пары AT и GC. Стрелки указывают на водородные связи .

В области молекулярной биологии и генетики , GC-содержание (или содержание гуанин-цитозин ) представляет собой процент азотистых оснований в ДНК или РНК молекулы , которые являются либо гуанин (G) , или цитозин (С). [1] Эта мера показывает долю оснований G и C от предполагаемых четырех оснований, включая аденин и тимин в ДНК и аденин и урацил в РНК.

GC-контент может быть указан для определенного фрагмента ДНК или РНК или для всего генома . Когда он относится к фрагменту, он может обозначать GC-содержание отдельного гена или участка гена (домена), группу генов или кластеров генов, некодирующую область или синтетический олигонуклеотид, такой как праймер .

Структура [ править ]

Качественно гуанин (G) и цитозин (C) подвергаются специфической водородной связи друг с другом, тогда как аденин (A) связывается специфически с тимином (T) в ДНК и с урацилом (U) в РНК. Количественно каждая пара оснований GC удерживается вместе тремя водородными связями, в то время как пары оснований AT и AU удерживаются вместе двумя водородными связями. Чтобы подчеркнуть эту разницу, пары оснований часто представлены как «G≡C» по сравнению с «A = T» или «A = U».

ДНК с низким содержанием GC менее стабильна, чем ДНК с высоким содержанием GC; однако сами водородные связи не оказывают особенно значительного влияния на молекулярную стабильность, которая вместо этого вызывается в основном молекулярными взаимодействиями при укладке оснований. [2] Несмотря на более высокую термостабильность, присущую нуклеиновой кислоте с высоким содержанием GC, было обнаружено, что по крайней мере некоторые виды бактерий с ДНК с высоким содержанием GC легче подвергаются автолизу , тем самым снижая долговечность клетки. как таковой . [3] Из-за термостабильности пар GC, когда-то предполагалось, что высокое содержание GC было необходимой адаптацией.к высоким температурам, но эта гипотеза была опровергнута в 2001 году. [4] Несмотря на это, было показано, что существует сильная корреляция между оптимальным ростом прокариот при более высоких температурах и GC-содержанием структурных РНК, таких как рибосомная РНК , транспортная РНК и многие другие некодирующие РНК . [4] [5] Пары оснований AU менее стабильны, чем пары оснований GC, что делает структуры РНК с высоким содержанием GC более устойчивыми к воздействию высоких температур.

Совсем недавно было продемонстрировано, что наиболее важный фактор, способствующий термостабильности двухцепочечных нуклеиновых кислот, на самом деле связан с укладкой оснований соседних оснований, а не с количеством водородных связей между основаниями. Энергия стэкинга для пар GC более благоприятна, чем для пар AT или AU из-за относительного положения экзоциклических групп. Кроме того, существует корреляция между порядком укладки оснований и термической стабильностью молекулы в целом. [6]

Определение [ править ]

Содержание GC обычно выражается в процентах, но иногда и в виде отношения (так называемого соотношения G + C или соотношения GC ). Процент содержания GC рассчитывается как [7]

тогда как отношение AT / GC рассчитывается как [8]

.

Процентное содержание GC, а также GC-соотношение можно измерить несколькими способами, но одним из простейших методов является измерение температуры плавления двойной спирали ДНК с помощью спектрофотометрии . Поглощение ДНК при длине волны 260 нм увеличивается довольно резко , когда двухцепочечной молекулы ДНК разделяет на две единичные нити при достаточно нагреть. [9] Наиболее часто используемый протокол для определения GC-соотношений использует проточную цитометрию для большого количества образцов. [10]

В качестве альтернативы, если исследуемая молекула ДНК или РНК была надежно секвенирована , то содержание GC можно точно рассчитать с помощью простой арифметики или с помощью различных общедоступных программных инструментов, таких как бесплатный онлайн-калькулятор GC .

Геномное содержание [ править ]

Вариация внутри генома [ править ]

Было обнаружено, что GC-соотношение в геноме заметно варьируется. Эти вариации в GC-соотношении в геномах более сложных организмов приводят к мозаичному образованию с островковыми участками, называемыми изохорами . [11] Это приводит к вариациям в интенсивности окрашивания хромосом . [12] GC-богатые изохоры обычно включают в себя множество генов, кодирующих белок, и, таким образом, определение GC-соотношений этих специфических областей способствует картированию богатых генами областей генома. [13] [14]

Последовательности кодирования [ править ]

В длинном участке геномной последовательности гены часто характеризуются более высоким содержанием GC по сравнению с фоновым содержанием GC для всего генома. Данные соотношения GC с тем, что по длине кодирующей области в виде гена показал , что длина кодирующей последовательности прямо пропорционально более высоким содержанием G + C. [15] Это было указано на тот факт, что стоп-кодон имеет смещение в сторону нуклеотидов A и T, и, таким образом, чем короче последовательность, тем выше смещение AT. [16]

Сравнение более 1000 ортологичных генов у млекопитающих показало заметные внутригеномные вариации содержания GC положения третьего кодона в диапазоне от менее 30% до более 80%. [17]

Вариация между геномами [ править ]

Было обнаружено, что содержание GC варьируется у разных организмов, и предполагается, что этому процессу будут способствовать вариации в отборе , смещение мутаций и смещенная репарация ДНК, связанная с рекомбинацией . [18]

Среднее содержание GC в геномах человека колеблется от 35% до 60% по 100-килобайтным фрагментам, в среднем 41%. [19] ГХ-содержание дрожжей ( Saccharomyces cerevisiae ) составляет 38%, [20] а другого распространенного модельного организма , кресс-салата ( Arabidopsis thaliana ), составляет 36%. [21] Из-за природы генетического кода для организма практически невозможно иметь геном с содержанием GC, приближающимся к 0% или 100%. Однако вид с чрезвычайно низким содержанием GC - это Plasmodium falciparum (GC% = ~ 20%), [22]и обычно принято называть такие примеры богатыми AT, а не бедными GC. [23]

Некоторые виды млекопитающих (например, землеройка , микробат , тенрек , кролик ) независимо друг от друга претерпели заметное увеличение содержания GC в их генах. Эти GC-содержание изменения коррелируют с видами жизненного цикла признаков (например, массы тела или долговечности) и генома размера , [17] и может быть связана с молекулярной явления называется GC-смещена преобразование гена . [24]

Приложения [ править ]

Молекулярная биология [ править ]

В экспериментах с полимеразной цепной реакцией (ПЦР) GC-содержание коротких олигонуклеотидов, известных как праймеры , часто используется для прогнозирования температуры их отжига с матричной ДНК. Более высокий уровень содержания ГХ указывает на относительно более высокую температуру плавления.

Систематика [ править ]

Проблема вида в неэукариотической таксономии привела к различным предложениям по классификации бактерий, и специальный комитет по согласованию подходов к бактериальной систематике рекомендовал использовать GC-отношения в иерархической классификации более высокого уровня. [25] Например, актинобактерии характеризуются как « бактерии с высоким содержанием GC ». [26] У Streptomyces coelicolor A3 (2) содержание GC составляет 72%. [27]

Программные инструменты [ править ]

GCSpeciesSorter [28] и TopSort [29] - это программные инструменты для классификации видов на основе их GC-содержимого.

См. Также [ править ]

  • Предвзятость использования кодонов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Определение GC - контент на CancerWeb Университета Ньюкасла , Великобритания
  2. ^ Яковчук P, E Protozanova, Франк-Каменецкий MD (2006). «Вклады укладки оснований и спаривания оснований в термостабильность двойной спирали ДНК» . Nucleic Acids Res . 34 (2): 564–74. DOI : 10.1093 / NAR / gkj454 . PMC  1360284 . PMID  16449200 .
  3. ^ Левин RE, Ван Серп C (1976). «Автолиз изолятов Pseudomonas putrefaciens с высоким уровнем GC». Антони ван Левенгук . 42 (1–2): 145–55. DOI : 10.1007 / BF00399459 . PMID 7999 . 
  4. ↑ a b Hurst LD, Merchant AR (март 2001 г.). «Высокое содержание гуанин-цитозина не является адаптацией к высокой температуре: сравнительный анализ среди прокариот» . Proc. Биол. Sci . 268 (1466): 493–7. DOI : 10.1098 / rspb.2000.1397 . PMC 1088632 . PMID 11296861 .  
  5. ^ Galtier, N .; Лобри, младший (1997). «Взаимосвязь между содержанием G + C в геноме, вторичными структурами РНК и оптимальной температурой роста прокариот». Журнал молекулярной эволюции . 44 (6): 632–636. Bibcode : 1997JMolE..44..632G . DOI : 10.1007 / PL00006186 . PMID 9169555 . 
  6. ^ Яковчук, Питер; Протозанова, Екатерина; Франк-Каменецкий, Максим Д. (2006). «Вклады укладки оснований и спаривания оснований в термостабильность двойной спирали ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (2): 564–574. DOI : 10.1093 / NAR / gkj454 . ISSN 0305-1048 . PMC 1360284 . PMID 16449200 .   
  7. Перейти ↑ Madigan, MT. и Мартинко JM. (2003). Биология Брока микроорганизмов (10-е изд.). Пирсон-Прентис Холл. ISBN 978-84-205-3679-8.
  8. ^ Определение GC-ratio в Северо-Западном университете, Иллинойс, США
  9. ^ Wilhelm J, Pingoud A, Hahn M (май 2003). «Метод ПЦР в реальном времени для оценки размеров генома» . Nucleic Acids Res . 31 (10): e56. DOI : 10.1093 / NAR / gng056 . PMC 156059 . PMID 12736322 .  
  10. ↑ Виноградов А.Е. (май 1994). «Измерение с помощью проточной цитометрии геномного отношения AT / GC и размера генома» . Цитометрия . 16 (1): 34–40. DOI : 10.1002 / cyto.990160106 . PMID 7518377 . 
  11. ^ Бернарди G (январь 2000). «Изохоры и эволюционная геномика позвоночных». Джин . 241 (1): 3–17. DOI : 10.1016 / S0378-1119 (99) 00485-0 . PMID 10607893 . 
  12. ^ Furey TS, Хаусслер D (май 2003). «Интеграция цитогенетической карты с проектом последовательности генома человека» . Гм. Мол. Genet . 12 (9): 1037–44. DOI : 10,1093 / HMG / ddg113 . PMID 12700172 . 
  13. ^ Самнер AT, де - ла - Торре J, Stuppia L (август 1993). «Распределение генов по хромосомам: цитологический подход». J. Mol. Evol . 37 (2): 117–22. Bibcode : 1993JMolE..37..117S . DOI : 10.1007 / BF02407346 . PMID 8411200 . 
  14. ^ Aïssani B, Бернарди G (октябрь 1991). «Острова CpG, гены и изохоры в геномах позвоночных». Джин . 106 (2): 185–95. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (91) 90198-K . PMID 1937049 . 
  15. ^ Pozzoli U, Menozzi G, Fumagalli M и др. (2008). «Как селективные, так и нейтральные процессы определяют эволюцию содержания GC в геноме человека» . BMC Evol. Биол . 8 : 99. DOI : 10.1186 / 1471-2148-8-99 . PMC 2292697 . PMID 18371205 .  
  16. ^ Wuitschick JD, Каррер К. (1999). «Анализ геномного содержания G + C, использования кодонов, контекста кодонов инициатора и сайтов терминации трансляции у Tetrahymena thermophila ». J. Eukaryot. Microbiol . 46 (3): 239–47. DOI : 10.1111 / j.1550-7408.1999.tb05120.x . PMID 10377985 . 
  17. ^ a b Ромигье, Джонатан; Ранвез, Винсент; Douzery, Emmanuel JP; Гальтье, Николя (1 августа 2010 г.). «Противопоставление динамики содержания GC в 33 геномах млекопитающих: взаимосвязь с особенностями жизненного цикла и размерами хромосом» . Геномные исследования . 20 (8): 1001–1009. DOI : 10.1101 / gr.104372.109 . ISSN 1088-9051 . PMC 2909565 . PMID 20530252 .   
  18. ^ Birdsell JA (1 июля 2002). «Интеграция геномики, биоинформатики и классической генетики для изучения влияния рекомбинации на эволюцию генома» . Мол. Биол. Evol . 19 (7): 1181–97. CiteSeerX 10.1.1.337.1535 . DOI : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a004176 . PMID 12082137 .  
  19. ^ Международный консорциум по секвенированию генома человека (февраль 2001 г.). «Первоначальное секвенирование и анализ генома человека» . Природа . 409 (6822): 860–921. Bibcode : 2001Natur.409..860L . DOI : 10.1038 / 35057062 . PMID 11237011 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка ) (стр. 876)
  20. ^ Данные полного генома Saccharomyces cerevisiae на NCBI
  21. ^ Данные полного генома Arabidopsis thaliana на NCBI
  22. ^ Данные полного генома Plasmodium falciparum на NCBI
  23. ^ Мусто Н, Cacciò S, Родригес-Маседа Н, Бернарди G (1997). «Композиционные ограничения в геноме Plasmodium falciparum с чрезвычайно низким уровнем GC » (PDF) . Mem. Inst. Освальдо Крус . 92 (6): 835–41. DOI : 10.1590 / S0074-02761997000600020 . PMID 9566216 .  
  24. ^ Duret L, Galtier N (2009). «Предвзятое преобразование генов и эволюция геномных ландшафтов млекопитающих». Анну Рев Геном Хум Генет . 10 : 285–311. DOI : 10.1146 / annurev-genom-082908-150001 . PMID 19630562 . S2CID 9126286 .  
  25. ^ Уэйн LG; и другие. (1987). «Отчет специальной комиссии по согласованию подходов к бактериальной систематике» . Международный журнал систематической бактериологии . 37 (4): 463–4. DOI : 10.1099 / 00207713-37-4-463 .
  26. ^ Браузер таксономии в NCBI
  27. ^ Данные полного генома Streptomyces coelicolor A3 (2) по NCBI
  28. ^ Карий К, Wuitchik Д, Oldach М, Р Визы (2018). «Различение видов с использованием содержания GC в смешанных последовательностях ДНК или РНК» . Evol Bioinform Online . 14 (1 января 2018 г.): 1176934318788866. doi : 10.1177 / 1176934318788866 . PMC 6052495 . PMID 30038485 .  
  29. ^ Ленерт Е, Mouchka М, Burriesci М, галло Н, Шварц Дж, Прингль J (2014). «Обширные различия в экспрессии генов между симбиотическими и апосимбиотическими книдариями» . G3 (Bethesda) . 4 (2): 277–95. DOI : 10,1534 / g3.113.009084 . PMC 3931562 . PMID 24368779 .  

Внешние ссылки [ править ]

  1. Таблица с GC-содержанием всех секвенированных прокариот
  2. Таксономический браузер бактерий на основе соотношения GC на сайте NCBI .
  3. Соотношение GC у разных видов .