GC-tartalom

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
AT és GC párosítású nukleotidkötések. A nyilak a hidrogénkötésekre mutatnak.

A molekuláris biológia területén a GC-tartalom (vagy guanin-citozin-tartalom) a DNS-molekula nitrogénalapú bázisai közül a guanin és a citozin százalékos arányát jelenti (a négy különböző lehetőségből, ahol a másik kettő az adenin és a timin).[1] Ez a százalékos arány utalhat a DNS (vagy RNS) adott szegmensére vagy a teljes genomra. Amikor az örökítőanyag részletére utal, akkor beszélhetünk egy génrészlet, egy gén, géncsoport vagy génklaszter, vagy akár nem kódoló régió GC-tartalmáról.

A GC-párokat három, míg az AT-párokat csak két hidrogénkötés köti össze. A magasabb GC-tartalmú DNS stabilabb az alacsony GC-tartalmúnál, de a közhiedelemmel ellentétben a hidrogénkötések nem képviselnek jelentős stabilizáló erőt, inkább a „stacking” (összefekvés, egy π-π interakció) okozza a nagyobb stabilitást.[2]

Az örökítőanyag nagyobb hőstabilitása ellenére valószínűsíthető, hogy a magas GC-tartalmú DNS-t tartalmazó sejtek autolízisen mennek át, így magának a sejtnek az élettartama lecsökken.[3] Az örökítőanyag robusztusabb voltából a magas GC-tartalmú élőlényekben sokan arra a következtetésre jutottak, hogy a GC-tartalomnak nagy szerepe lehetett a magas hőmérséklethez való alkalmazkodásban; ezt a hipotézist a közelmúltban cáfolták.[4]

PCR-kísérletekben a primerek GC-tartalmából szokták megjósolni a DNS-templáthoz való kapcsolódási hőmérsékletet. Magasabb GC-tartalom magasabb olvadáspontra utal.

A GC-tartalom meghatározása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A GC-tartalmat általában százalékos értékként fejezik ki, de néha arányként is (G+C-arány vagy AT/GC-arány) – ezek nem független mennyiségek, egymásból egyszerűen átszámíthatóak. A GC-tartalom százalékos értékét a következőképp számolják[5]:

\cfrac{G+C}{A+T+G+C}\times\ 100 ,

míg az AT/GC-arány számolási módja a következő[6]:

\cfrac{A+T}{G+C} .

A GC-tartalom számos módszerrel megmérhető, az egyszerűbbek közé tartozik a DNS kettős spirálja olvadási hőmérsékletének megmérése spektrofotometria segítségével. A DNS abszorbanciája (fényelnyelő képessége) 260 nanométeres hullámhosszon ugrásszerűen megnő, amikor a kétszálú DNS a melegítéstől szálakra bomlik.[7] Kellő mennyiségű minta esetén a leggyakrabban használt módszer az áramlási citometria (FCM).[8]

Természetesen, ha a szóban forgó DNS- vagy RNS-molekula már szekvenálásra került, a GC-tartalom pontosan meghatározható a matematikai alapműveletek segítségével.

A genomok GC-aránya[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egy genomon belül a GC-tartalom meglepően sokat változik. Ezek a változások a bonyolultabb élőlényekben mozaikszerűen alakulnak, szigetszerű, ún. izochor régiókkal.[9] Ez a különböző kromoszómák festődési intenzitásának váltakozásához vezet.[10] A magas GC-tartalmú izochorokban sok fehérjekódoló gén van, így az egyes régiók GC-arányának meghatározása segít a genom fehérjekódoló területeinek feltérképezésében.[11][12]

GC-arányok és kódoló szekvenciák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A genom nagyobb területét tekintve a géneket gyakran jellemzik a teljes genom GC-arányához képest magasabb GC-arányukkal. Egyes bizonyítékok arra utalnak, hogy egy gén kódoló régiójának hossza egyenesen arányos a magasabb G+C-aránnyal.[13] Nem lehet eltekinteni attól a ténytől sem, hogy a stop kodon több A és T nukleotidot tartalmaz, így minél rövidebb a szekvencia, annál nagyobb az AT-felé való eltérülés.[14]

Alkalmazása a rendszertanban[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Különböző élőlények GC-tartalma általában eltér egymástól, ennek kialakulását a géneken értelmezett természetes szelekcióval, a mutációk és a rekombinációval társult DNS-javítás GC-elfogultságával magyarázzák.[15]

A fajfogalom problematikussága a prokarióták taxonómiájában ahhoz vezetett, hogy a „bakteriális rendszertan megközelítéseit egyeztető ad hoc bizottság” javasolta a GC-arány használatát a rendszertani hierarchia magasabb szintjeinek kialakításában.[16] Például az Actinobacteria „magas GC-tartalmú baktériumként” jellemezhető[17]. A Streptomyces coelicolor A3(2)-ben, a GC-tartalom 72%.[18] Az élesztőben (Saccharomyces cerevisiae) ez az érték 38%,[19] és a gyakori modellszervezet Arabidopsis thaliana (lúdfű) esetén 36%.[20] A genetikai kód természete miatt a GC-tartalom nem kerülhet túl közel sem a 0, sem a 100%-hoz. Egy rendkívül alacsony GC-tartalmú élőlényre példa a Plasmodium falciparum (GC% = ~20%),[21] az ilyenekre általában inkább AT-gazdagként hivatkoznak és nem GC-szegényként.[22]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Definition of GC – content on CancerWeb of Newcastle University,UK
  2. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006.). „Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix”. Nucleic Acids Res. 34 (2), 564–74. o. DOI:10.1093/nar/gkj454. PMID 16449200.  
  3. Levin RE, Van Sickle C (1976.). „Autolysis of high-GC isolates of Pseudomonas putrefaciens”. Antonie Van Leeuwenhoek 42 (1-2), 145–55. o. DOI:10.1007/BF00399459. PMID 7999.  
  4. Hurst LD, Merchant AR (2001. March). „High guanine-cytosine content is not an adaptation to high temperature: a comparative analysis amongst prokaryotes”. Proc. Biol. Sci. 268 (1466), 493–7. o. DOI:10.1098/rspb.2000.1397. PMID 11296861.  
  5. Madigan,MT. and Martinko JM.. Brock biology of microorganisms, 10th, Pearson-Prentice Hall (2003). ISBN 84-205-3679-2 
  6. Definition of GC-ratio on Northwestern University, IL, USA
  7. Wilhelm J, Pingoud A, Hahn M (2003. May). „Real-time PCR-based method for the estimation of genome sizes”. Nucleic Acids Res. 31 (10), e56. o. DOI:10.1093/nar/gng056. PMID 12736322.  
  8. Vinogradov AE (1994. May). „Measurement by flow cytometry of genomic AT/GC ratio and genome size”. Cytometry 16 (1), 34–40. o. DOI:10.1002/cyto.990160106. PMID 7518377.  
  9. Bernardi G (2000. January). „Isochores and the evolutionary genomics of vertebrates”. Gene 241 (1), 3–17. o. DOI:10.1016/S0378-1119(99)00485-0. PMID 10607893.  
  10. Furey TS, Haussler D (2003. May). „Integration of the cytogenetic map with the draft human genome sequence”. Hum. Mol. Genet. 12 (9), 1037–44. o. DOI:10.1093/hmg/ddg113. PMID 12700172.  
  11. Sumner AT, de la Torre J, Stuppia L (1993. August). „The distribution of genes on chromosomes: a cytological approach”. J. Mol. Evol. 37 (2), 117–22. o. DOI:10.1007/BF02407346. PMID 8411200.  
  12. Aïssani B, Bernardi G (1991. October). „CpG islands, genes and isochores in the genomes of vertebrates”. Gene 106 (2), 185–95. o. DOI:10.1016/0378-1119(91)90198-K. PMID 1937049.  
  13. Pozzoli U, Menozzi G, Fumagalli M, et al (2008.). „Both selective and neutral processes drive GC content evolution in the human genome”. BMC Evol. Biol. 8, 99. o. DOI:10.1186/1471-2148-8-99. PMID 18371205.  
  14. Wuitschick JD, Karrer KM (1999.). „Analysis of genomic G + C content, codon usage, initiator codon context and translation termination sites in Tetrahymena thermophila”. J. Eukaryot. Microbiol. 46 (3), 239–47. o. DOI:10.1111/j.1550-7408.1999.tb05120.x. PMID 10377985.  
  15. Birdsell JA (2002. július 1.). „Integrating genomics, bioinformatics, and classical genetics to study the effects of recombination on genome evolution”. Mol. Biol. Evol. 19 (7), 1181–97. o. PMID 12082137.  
  16. Wayne LG, et al (1987.). „Report of the ad hoc committee on reconciliation of approaches to bacterial systematic”. International journal of systematic bacteriology 37 (4), 463–4. o. DOI:10.1099/00207713-37-4-463.  
  17. Taxonomy browser on NCBI
  18. Whole genome data of "Streptomyces coelicolor" A3(2) on NCBI
  19. Whole genome data of Saccharomyces cerevisiae on NCBI
  20. Whole genome data of Arabidopsis thaliana on NCBI
  21. Whole genome data of Plasmodium falciparum on NCBI
  22. Musto H, Cacciò S, Rodríguez-Maseda H, Bernardi G (1997.). „Compositional constraints in the extremely GC-poor genome of Plasmodium falciparum”. Mem. Inst. Oswaldo Cruz 92 (6), 835–41. o. DOI:10.1590/S0074-02761997000600020. PMID 9566216.  
  • Ez a szócikk részben vagy egészben a GC-content című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]