GC-состав

GC-состав (гуанин-цитозиновый состав, ГЦ-состав)^[1] — доля гуанина (G) и цитозина (C) среди всех остатков нуклеотидов рассматриваемой нуклеотидной последовательности. GC-состав может быть определён как для фрагмента молекулы ДНК или РНК, так и для всей молекулы или даже всего генома.

Пара GC соединена тремя водородными связями, тогда как пара AT (аденин — тимин) — двумя. Поэтому ДНК с высоким содержанием GC более устойчива к денатурации в растворе, чем ДНК с низким. Кроме водородных связей, на стабильность вторичной структуры ДНК и РНК влияют гидрофобные или стэкинг-взаимодействия между соседними нуклеотидами, не зависящие от последовательности оснований нуклеиновых кислот^[2]^[3].

При проведении ПЦР GC-состав праймера используется для предсказания температуры плавления этого праймера и температуры отжига. Высокий GC-состав праймера позволяет использовать его при высоких температурах отжига.

Вычисление GC-состава

GC-состав обычно представляется в процентном отношении (доля G+C или доля GC) для одной из цепи ДНК или РНК. Процентный GC-состав вычисляется как^[4]

[math]\displaystyle{ GC\%=\cfrac{G+C}{L}\times\ 100 }[/math]

где [math]\displaystyle{ G+C }[/math] — суммарное количество гуанинов и цитозинов, а [math]\displaystyle{ L }[/math] — длина цепи ДНК или РНК в нуклеотидах: [math]\displaystyle{ L=A+T+G+C }[/math].

[math]\displaystyle{ G+C }[/math] можно также представить в виде вырожденного кода как [math]\displaystyle{ S }[/math], тогда

[math]\displaystyle{ GC\%=\cfrac{S}{L}\times\ 100 }[/math]

Сравнения смещений в нуклеотидном составе для рамки в 100 нуклеотидов.

Вычисление смещений в нуклеотидном составе

GC-состав является частным случаем отклонений^{[прояснить]} (англ. skew) в нуклеотидной последовательности тех или иных нуклеотидных оснований или групп оснований.

Например, отклонение по отношению пуринов (суммы всех гуанинов и аденинов) к длине цепи ДНК или РНК в нуклеотидах (доля G+A или доля GA) можно вычислить в процентном отношении ^[5]:

[math]\displaystyle{ GA\% =\cfrac{G+A}{L}\times\ 100 }[/math]

где [math]\displaystyle{ G+A }[/math] — суммарное количество гуанинов и аденинов, а [math]\displaystyle{ L }[/math] — длина цепи ДНК или РНК в нуклеотидах: [math]\displaystyle{ L=A+T+G+C }[/math].

[math]\displaystyle{ G+A }[/math] можно также представить в виде вырожденного кода как [math]\displaystyle{ R }[/math], тогда

[math]\displaystyle{ GA\%=\cfrac{R}{L}\times\ 100 }[/math]

Аналогично, для пиримидинов (цитозина и тимина):

[math]\displaystyle{ CT\% =\cfrac{C+T}{L}\times\ 100 =\cfrac{Y}{L}\times\ 100 }[/math]

где [math]\displaystyle{ C+T }[/math] есть сумма всех цитозинов и тиминов, тогда как [math]\displaystyle{ L }[/math] есть длина цепи ДНК или РНК в нуклеотидах.

Отклонение по отношению суммы всех гуанинов к сумме всех цитозинов или наоборот (сдвиг по отношению суммы всех цитозинов к сумме всех гуанинов):
[math]\displaystyle{ GC skew=\cfrac{G-C}{G+C} }[/math]

Данная величина — GC skew — может быть положительной (если количество гуанина выше количества цитозина), отрицательной (в противном случае) или равна 0 (когда количество гуанина и цитозина одинаково).
Аналогично можно вычислить отклонение по отношению суммы всех аденинов к тиминам или наоборот (суммы всех тиминов к аденинам):
[math]\displaystyle{ AT skew=\cfrac{A-T}{A+T} }[/math]

Данная величина — AT skew — будет положительным, если количество аденина выше количества тимина, отрицательным в противном случае, или равна 0, когда суммы аденинов A и тимина T равны.
Вычислить отклонение по отношению суммы всех гуанинов и всех цитозинов, по отношению к сумме всех аденинов и тиминам или наоборот (аденинов и тиминов по отношению к сумме всех гуанинов и цитозинов):
[math]\displaystyle{ SW skew=\cfrac{S-W}{L} }[/math]

где [math]\displaystyle{ S }[/math] есть сумма всех гуанинов и цитозинов, тогда как [math]\displaystyle{ W }[/math] есть сумма всех аденинов и тиминов.
Вычисление общего отклонения всех пуринов к пиримидинам или наоборот (всех пиримидинов ко всем пуринам), в цепи ДНК:
[math]\displaystyle{ RY skew=\cfrac{R-Y}{L} }[/math]

где [math]\displaystyle{ R }[/math] есть сумма всех гуанинов и аденинов, тогда как [math]\displaystyle{ Y }[/math] есть сумма всех цитозинов и тиминов.
Вычислить отклонение по отношению суммы всех цитозинов и всех аденинов, по отношению к сумме всех гуанинов и тиминов или наоборот (гуанинов и тиминов по отношению к сумме всех цитозинов и аденинов):
[math]\displaystyle{ MK skew=\cfrac{M-K}{L} }[/math]

где [math]\displaystyle{ M }[/math] есть сумма всех цитозинов и аденинов, тогда как [math]\displaystyle{ K }[/math] есть сумма всех гуанинов и тиминов.

Примечания

↑ Аббревиатура: ГЦ-состав, ЦГ-состав, GC-состав, CG-состав, GC%, ГЦ%
↑ Ponnuswamy P., Gromiha M. On the conformational stability of oligonucleotide duplexes and tRNA molecules (англ.) // J Theor Biol (англ.) (рус. : journal. — 1994. — Vol. 169, no. 4. — P. 419—432. — PMID 7526075.
↑ Yakovchuk P., Protozanova E., Frank-Kamenetskii M. D. Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix (англ.) // Nucleic Acids Res. (англ.) (рус. : journal. — 2006. — Vol. 34, no. 2. — P. 564—574. — doi:10.1093/nar/gkj454. — PMID 16449200. Архивировано 5 марта 2020 года.
↑ Madigan, M.T. and Martinko J.M. Brock biology of microorganisms (неопр.). — 10th. — Pearson-Prentice Hall, 2003. — ISBN 84-205-3679-2.
↑ Maxim I. Pyatkov and Anton N. Pankratov. SBARS: fast creation of dotplots for DNA sequences on different scales using GA-,GC-content // Bioinformatics : 30. — 2014. — № 12. — С. 1765—1766. — doi:10.1093/bioinformatics/btu095.

См. также

Полимеразная цепная реакция

Ссылки

[1] Аббревиатура: ГЦ-состав, ЦГ-состав, GC-состав, CG-состав, GC%, ГЦ%

[2] Ponnuswamy P., Gromiha M. On the conformational stability of oligonucleotide duplexes and tRNA molecules (англ.) // J Theor Biol (англ.) (рус. : journal. — 1994. — Vol. 169, no. 4. — P. 419—432. — PMID 7526075.

[Yakovchuk2006-3] Yakovchuk P., Protozanova E., Frank-Kamenetskii M. D. Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix (англ.) // Nucleic Acids Res. (англ.) (рус. : journal. — 2006. — Vol. 34, no. 2. — P. 564—574. — doi:10.1093/nar/gkj454. — PMID 16449200. Архивировано 5 марта 2020 года.

[4] Madigan, M.T. and Martinko J.M. Brock biology of microorganisms (неопр.). — 10th. — Pearson-Prentice Hall, 2003. — ISBN 84-205-3679-2.

[5] Maxim I. Pyatkov and Anton N. Pankratov. SBARS: fast creation of dotplots for DNA sequences on different scales using GA-,GC-content // Bioinformatics : 30. — 2014. — № 12. — С. 1765—1766. — doi:10.1093/bioinformatics/btu095.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]