Содержание гуанина и цитозина в ДНК и РНК

Введение

Процент гуанина и цитозина в молекулах ДНК или РНК

В молекулярной биологии и генетике содержание ГЦ (или содержание гуанина и цитозина) — это процент азотистых оснований в молекуле ДНК или РНК, которые являются либо гуанином (G), либо цитозином (C). Эта величина указывает на долю оснований Г и Ц от общего числа четырех оснований, включая аденин и тимин в ДНК и аденин и урацил в РНК. Содержание ГЦ может быть указано для определенного фрагмента ДНК или РНК или для всего генома. Применительно к фрагменту, это может относиться к содержанию ГЦ отдельного гена или участка гена (домена), группы генов или кластеров генов, некодирующей области или синтетического олигонуклеотида, например, праймера.

Структура

В качественном отношении гуанин (G) и цитозин (C) образуют специфические водородные связи друг с другом, в то время как аденин (A) специфически связывается с тимином (T) в ДНК и с урацилом (U) в РНК. Количественно, каждая пара оснований GC удерживается тремя водородными связями, а пары оснований AT и AU – двумя водородными связями. Чтобы подчеркнуть это различие, спаривание оснований часто изображают как "G≡C" в противовес "A=T" или "A=U". ДНК с низким содержанием GC менее стабильна, чем ДНК с высоким содержанием GC; однако сами водородные связи не оказывают особо значительного влияния на молекулярную стабильность, которая определяется главным образом взаимодействиями между основаниями при их укладке (наложении). Несмотря на повышенную термостабильность, которую обеспечивает нуклеиновая кислота с высоким содержанием GC, было замечено, что некоторые виды бактерий с ДНК с высоким содержанием GC подвергаются автолизу легче, тем самым сокращая продолжительность жизни клетки. В связи с термостабильностью пар GC, ранее предполагалось, что высокое содержание GC является необходимой адаптацией к высоким температурам, но эта гипотеза была опровергнута в 2001 году. Тем не менее, было показано, что существует тесная связь между оптимальным ростом прокариот при повышенных температурах и содержанием GC в структурных РНК, таких как рибосомальная РНК, транспортная РНК и многих других некодирующих РНК. Пары оснований AU менее стабильны, чем пары GC, что делает РНК-структуры с высоким содержанием GC более устойчивыми к воздействию высоких температур. Недавно было продемонстрировано, что наиболее важным фактором, определяющим термическую стабильность двухцепочечных нуклеиновых кислот, является укладка (наложение) соседних оснований, а не количество водородных связей между основаниями. Энергия укладки для пар GC более благоприятна, чем для пар AT или AU, из-за относительного расположения экзоциклических групп. Кроме того, существует корреляция между порядком укладки оснований и общей тепловой стабильностью молекулы.

Qualitatively, guanine (G) and cytosine (C) undergo a specific hydrogen bonding with each other, whereas adenine (A) bonds specifically with thymine (T) in DNA and with uracil (U) in RNA. Quantitatively, each GC base pair is held together by three hydrogen bonds, while AT and AU base pairs are held together by two hydrogen bonds. To emphasize this difference, the base pairings are often represented as "G≡C" versus "A=T" or "A=U". DNA with low GC content is less stable than DNA with high GC content; however, the hydrogen bonds themselves do not have a particularly significant impact on molecular stability, which is instead caused mainly by molecular interactions of base stacking. In spite of the higher thermostability conferred to a nucleic acid with high GC content, it has been observed that at least some species of bacteria with DNA of high GC content undergo autolysis more readily, thereby reducing the longevity of the cell per se. Because of the thermostability of GC pairs, it was once presumed that high GC content was a necessary adaptation to high temperatures, but this hypothesis was refuted in 2001. Even so, it has been shown that there is a strong correlation between the optimal growth of prokaryotes at higher temperatures and the GC content of structural RNAs such as ribosomal RNA, transfer RNA, and many other non coding RNAs. The AU base pairs are less stable than the GC base pairs, making high GC content RNA structures more resistant to the effects of high temperatures. More recently, it has been demonstrated that the most important factor contributing to the thermal stability of double stranded nucleic acids is actually due to the base stackings of adjacent bases rather than the number of hydrogen bonds between the bases. There is more favorable stacking energy for GC pairs than for AT or AU pairs because of the relative positions of exocyclic groups. Additionally, there is a correlation between the order in which the bases stack and the thermal stability of the molecule as a whole.

Внутригеномные вариации

Отношение GC в геноме оказывается значительно переменным. Эти вариации в соотношении GC в геномах более сложных организмов приводят к мозаичному строению с областями, называемыми изохорами. Это обуславливает различия в интенсивности окрашивания хромосом. Изохоры, богатые GC, как правило, содержат множество генов, кодирующих белки, и поэтому определение соотношения GC в этих конкретных областях способствует картированию генобогатых участков генома.

Кодирующие последовательности

В пределах протяженной области геномной последовательности гены часто характеризуются более высоким содержанием GC по сравнению с фоновым содержанием GC для всего генома. Имеются данные, свидетельствующие о том, что длина кодирующей области гена прямо пропорциональна более высокому содержанию G+C. Это связано с тем, что стоп-кодон имеет предрасположенность к нуклеотидам A и T, и, следовательно, чем короче последовательность, тем выше предрасположенность к AT. Сравнение более 1000 ортологичных генов у млекопитающих выявило значительные внутригеномные вариации содержания GC в третьей позиции кодона, в диапазоне от менее 30% до более 80%. Среднее содержание GC в геномах человека варьируется от 35% до 60% в фрагментах размером 100 кб, в среднем составляя 41%. Содержание GC у дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) составляет 38%, а у другого распространенного модельного организма, резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) – 36%. В силу природы генетического кода, организму практически невозможно иметь геном с содержанием GC, приближающимся к 0% или 100%. Однако, Plasmodium falciparum является видом с крайне низким содержанием GC (GC% = ~20%), и в таких случаях обычно говорят о геномах, богатых AT, а не бедных GC. У нескольких видов млекопитающих (например, землеройки, микролетучие мыши, тенрек, кролик) независимо друг от друга наблюдалось значительное увеличение содержания GC в генах. Эти изменения содержания GC коррелируют с характеристиками жизненной истории вида (например, массой тела или продолжительностью жизни) и размером генома, и могут быть связаны с молекулярным явлением, называемым конверсией генов со смещением GC.

Молекулярная биология

В экспериментах с полимеразной цепной реакцией (ПЦР) содержание GC в коротких олигонуклеотидах, известных как праймеры, часто используется для прогнозирования температуры их отжига к ДНК-матрице. Более высокое содержание GC указывает на относительно более высокую температуру плавления. Многие технологии секвенирования, такие как секвенирование Illumina, испытывают трудности при чтении участков с высоким содержанием GC. Геномы птиц, как известно, содержат множество таких участков, что приводит к проблеме "отсутствующих генов", которые, согласно эволюционным и фенотипическим данным, должны присутствовать, но не секвенируются — до тех пор, пока не были применены усовершенствованные методы.

Систематика

Проблема определения видов в неэвкариотической таксономии привела к различным предложениям по классификации бактерий, и специальный комитет по согласованию подходов к бактериальной систематике 1987 года рекомендовал использовать соотношение GC в иерархической классификации высшего уровня. Например, Actinomycetota характеризуются как "бактерии с высоким содержанием GC". У Streptomyces coelicolor A3(2) содержание GC составляет 72%. Однако, с применением более надежных и современных методов молекулярной систематики, определение Actinomycetota на основе содержания GC было отменено, и в этом кладе были обнаружены бактерии с низким содержанием GC.

Программные инструменты

GCSpeciesSorter и TopSort — это программные инструменты для классификации видов по содержанию ГЦ-пар.