กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 7 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ใน ชีววิทยาโมเลกุล และ พันธุศาสตร์ ปริมาณ GC ( หรือ ปริมาณ G+C หรือ ปริมาณกัวนีน-ไซโตซีน ) คือเปอร์เซ็นต์ของ เบสไนโตรเจน ใน โมเลกุล DNA หรือ RNA ที่เป็น กัวนีน (G) หรือ ไซโตซีน...

ปริมาณ GC

พันธะนิวคลีโอไทด์แสดงคู่ AT และ GC ลูกศรชี้ไปที่พันธะไฮโดรเจน

ในชีววิทยาโมเลกุลและพันธุศาสตร์ปริมาณ GC ( หรือปริมาณ G+Cหรือปริมาณกัวนีน-ไซโตซีน ) คือเปอร์เซ็นต์ของเบสไนโตรเจนใน โมเลกุล DNAหรือRNAที่เป็นกัวนีน (G) หรือไซโตซีน (C) [ 1 ]การวัดนี้แสดงสัดส่วนของเบส G และ C จากเบสทั้งหมดสี่ชนิด ซึ่งรวมถึงอะดีนีนและไทมีนใน DNA และอะดีนีนและยูราซิลใน RNA ด้วย

ค่า GC-content อาจระบุได้สำหรับชิ้นส่วนเฉพาะของ DNA หรือ RNA หรือสำหรับจีโนม ทั้งหมด เมื่อกล่าวถึงชิ้นส่วน อาจหมายถึงค่า GC-content ของยีน แต่ละตัว หรือส่วนหนึ่งของยีน (โดเมน) กลุ่มของยีนหรือคลัสเตอร์ของยีนบริเวณที่ไม่เข้ารหัส หรือโอลิโก นิวคลีโอไทด์สังเคราะห์เช่นไพรเมอร์

โครงสร้าง

ในเชิงคุณภาพ กัวนีน (G) และไซโตซีน (C) เกิดพันธะไฮโดรเจน จำเพาะ ระหว่างกัน ในขณะที่อะดีนีน (A) เกิดพันธะจำเพาะกับไทมีน (T) ในดีเอ็นเอ และกับยูราซิล (U) ในอาร์เอ็นเอ ในเชิงปริมาณคู่เบส GC แต่ละคู่ ยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนสามพันธะ ในขณะที่คู่เบส AT และ AU ยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนสองพันธะ เพื่อเน้นความแตกต่างนี้ การจับคู่เบสจึงมักแสดงเป็น "G≡C" แทนที่จะเป็น "A=T" หรือ "A=U"

ดีเอ็นเอที่มีปริมาณ GC ต่ำจะมีเสถียรภาพน้อยกว่าดีเอ็นเอที่มีปริมาณ GC สูง อย่างไรก็ตาม พันธะไฮโดรเจนเองไม่ได้มีผลกระทบต่อเสถียรภาพของโมเลกุลอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลในการเรียงซ้อนของเบส[ 2 ]เนื่องจากความเสถียรต่อความร้อนของคู่ GC จึงเคยสันนิษฐานว่าปริมาณ GC สูงในดีเอ็นเอเป็นการปรับตัว ที่จำเป็น ต่ออุณหภูมิสูง แม้ว่าสมมติฐานนี้จะถูกหักล้างในภายหลังในปี 2001 โดยการวิเคราะห์เปรียบเทียบของโปรคาริโอตมากกว่า 100 ชนิด[ 3 ]นอกจากนี้ ยังพบ ว่า P. putrefaciens ซึ่งเป็น แบคทีเรียชนิดหนึ่ง ที่มีดีเอ็นเอปริมาณ GC สูง มีแนวโน้มที่จะ สลายตัวเองได้ง่ายกว่า ส่งผลให้อายุขัยโดยรวมของเซลล์ลดลง[ 4 ] ถึงกระนั้นก็ตาม ได้มีการแสดงให้เห็นแล้วว่ามีความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างการเจริญเติบโตที่เหมาะสมของโปรคาริโอตที่อุณหภูมิสูงขึ้นกับปริมาณ GC ของ RNA โครงสร้าง เช่นRNA ไรโบโซม RNA ถ่ายโอนและRNA ที่ไม่เข้ารหัส อื่น ๆ อีกมากมาย [ 3 ] [ 5 ]คู่เบส AU มีความเสถียรน้อยกว่าคู่เบส GC ทำให้โครงสร้าง RNA ที่มีปริมาณ GC สูงมีความทนทานต่อผลกระทบของอุณหภูมิสูงได้มากกว่า

เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการพิสูจน์แล้วว่าปัจจัยสำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อเสถียรภาพทางความร้อนของกรดนิวคลีอิกแบบสองสายนั้น แท้จริงแล้วเกิดจากการเรียงตัวของเบสที่อยู่ติดกันมากกว่าจำนวนพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส พลังงานการเรียงตัวที่เหมาะสมกว่าสำหรับคู่ GC มากกว่าคู่ AT หรือ AU เนื่องจากตำแหน่งสัมพัทธ์ของกลุ่มนอกวงแหวน นอกจากนี้ ยังมีความสัมพันธ์ระหว่างลำดับการเรียงตัวของเบสและเสถียรภาพทางความร้อนของโมเลกุลโดยรวมอีกด้วย[ 6 ]

การกำหนด

แผนภาพแสดงโครงสร้างจีโน ม ของมนุษย์ โดยแสดงภาพรวมของจีโนมมนุษย์บนแถบสี G (ซึ่งรวมถึงการย้อมสี Giemsa ) ซึ่งบริเวณที่มี GC สูงจะมีสีอ่อนกว่า และบริเวณที่มี GC ต่ำจะมีสีเข้มกว่า

ปริมาณ GC มักแสดงเป็นค่าเปอร์เซ็นต์ แต่บางครั้งก็แสดงเป็นอัตราส่วน (เรียกว่าอัตราส่วน G+Cหรืออัตราส่วน GC ) เปอร์เซ็นต์ปริมาณ GC คำนวณได้ดังนี้[ 7 ]

จี+ซีเอ+ที+จี+ซี×100%{\displaystyle {\cfrac {G+C}{A+T+G+C}}\times 100\%}

ในขณะที่อัตราส่วน AT/GC คำนวณได้ดังนี้[ 8 ]

เอ+ทีจี+ซี{\displaystyle {\cfrac {A+T}{G+C}}}.

เปอร์เซ็นต์ปริมาณ GC รวมถึงอัตราส่วน GC สามารถวัดได้หลายวิธี แต่วิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งคือการวัดอุณหภูมิหลอมเหลวของเกลียวคู่ DNA โดยใช้สเปกโทรโฟโตเมตรีการดูดกลืนแสงของ DNA ที่ความยาวคลื่น 260 นาโนเมตรจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อโมเลกุล DNA สองสายแยกออกเป็นสองสายเดี่ยวเมื่อได้รับความร้อนเพียงพอ[ 9 ]โปรโตคอลที่ใช้กันทั่วไปในการกำหนดอัตราส่วน GC คือการใช้โฟลว์ไซโตเมตรีสำหรับตัวอย่างจำนวนมาก[ 10 ]

อีกวิธีหนึ่ง หากโมเลกุล DNA หรือ RNA ที่กำลังศึกษาได้รับการจัดลำดับ อย่างน่าเชื่อถือ แล้ว ปริมาณ GC สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำโดยใช้การคำนวณทางคณิตศาสตร์อย่างง่าย หรือโดยใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์ต่างๆ ที่เปิดให้ใช้งานได้ทั่วไป เช่น เครื่องคำนวณ GC ออนไลน์ฟรี(เก็บถาวรเมื่อวันที่ 26 กุมภาพันธ์ 2015 ที่Wayback Machine )

เนื้อหาจีโนม

ความแปรผันภายในจีโนม

พบว่าอัตราส่วน GC ภายในจีโนมมีความแปรผันอย่างมาก ความแปรผันของอัตราส่วน GC ภายในจีโนมของสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนมากขึ้นส่งผลให้เกิดการก่อตัวคล้ายโมเสกโดยมีบริเวณเกาะเล็กๆ ที่เรียกว่าไอโซคอร์ [ 11 ] ซึ่งส่งผลให้ความเข้มของการย้อมสีในโครโมโซมมี ความแปรผัน [ 12 ]ไอโซคอร์ที่อุดมไปด้วย GC มักจะมียีนที่เข้ารหัสโปรตีนจำนวนมากอยู่ภายใน ดังนั้นการกำหนดอัตราส่วน GC ของบริเวณเฉพาะเหล่านี้จึงมีส่วนช่วยในการทำแผนที่บริเวณที่อุดมไปด้วยยีนของจีโนม[ 13 ] [ 14 ]

ลำดับการเข้ารหัส

ภายในบริเวณลำดับจีโนมที่ยาว ยีนมักจะมีลักษณะเฉพาะคือมีปริมาณ GC สูงกว่าเมื่อเทียบกับปริมาณ GC พื้นฐานของจีโนมทั้งหมด[ 15 ]มีหลักฐานว่าความยาวของบริเวณการเข้ารหัสของยีนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณ G+C ที่สูงขึ้น[ 16 ]สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่ารหัสหยุดมีแนวโน้มไปทางนิวคลีโอไทด์ A และ T ดังนั้น ยิ่งลำดับสั้นลงเท่าใด แนวโน้ม AT ก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น[ 17 ]

การเปรียบเทียบยีน ออร์โธล็อกัสมากกว่า 1,000 ยีนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมแสดงให้เห็นถึงความแปรผันภายในจีโนมที่ชัดเจนของ ปริมาณ GC ใน ตำแหน่งโคดอนที่สามโดยมีช่วงตั้งแต่ต่ำกว่า 30% ถึงมากกว่า 80% [ 18 ]

ความแปรผันระหว่างจีโนม

พบว่าปริมาณ GC มีความแปรผันในสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ซึ่งคาดว่ากระบวนการนี้เกิดจากความแปรผันในการคัดเลือกอคติของการกลายพันธุ์ และการซ่อมแซม DNA ที่เกี่ยวข้องกับการรวมตัวใหม่แบบมีอคติ[ 19 ]

ปริมาณ GC เฉลี่ยในจีโนมของมนุษย์มีตั้งแต่ 35% ถึง 60% ในชิ้นส่วนขนาด 100 กิโลเบส โดยมีค่าเฉลี่ย 41% [ 20 ]ปริมาณ GC ของยีสต์ ( Saccharomyces cerevisiae ) คือ 38% [ 21 ]และของสิ่งมีชีวิตต้นแบบ ทั่วไปอีกชนิดหนึ่ง คือArabidopsis thalianaคือ 36% [ 22 ]เนื่องจากธรรมชาติของรหัสพันธุกรรมจึงแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่สิ่งมีชีวิตจะมีจีโนมที่มีปริมาณ GC ใกล้เคียง 0% หรือ 100% อย่างไรก็ตาม สายพันธุ์ที่มีปริมาณ GC ต่ำมากคือPlasmodium falciparum (GC% = ~20%) [ 23 ]และโดยทั่วไปมักจะเรียกตัวอย่างเช่นนี้ว่าอุดมไปด้วย AT แทนที่จะเป็น GC ต่ำ[ 24 ]

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิด (เช่นหนูชรูว์ค้างคาวขนาดเล็กเทนเร็กกระต่าย)ได้มีการเปลี่ยนแปลงปริมาณ GC ในยีนของพวกมันอย่างเห็นได้ชัดโดยอิสระ การเปลี่ยนแปลงปริมาณ GC เหล่านี้มีความสัมพันธ์กับลักษณะทางชีวประวัติ ของสายพันธุ์ (เช่น มวลร่างกายหรืออายุขัย) และขนาดจีโนม [ 18 ] และอาจเชื่อมโยงกับกระบวนการระดับโมเลกุลที่เรียกว่าการแปลงยีนแบบมีอคติ GC [ 25 ]

แอปพลิเคชัน

ชีววิทยาโมเลกุล

ใน การทดลอง ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (PCR) ปริมาณ GC ของโอลิโกนิวคลีโอไทด์สั้นๆ ที่เรียกว่าไพรเมอร์มักถูกนำมาใช้เพื่อทำนายอุณหภูมิการจับคู่กับดีเอ็นเอแม่แบบ โดยระดับปริมาณ GC ที่สูงขึ้นบ่งชี้ถึงอุณหภูมิการหลอมเหลวที่สูงขึ้นตามไปด้วย

เทคโนโลยีการจัดลำดับหลายอย่าง เช่นการจัดลำดับของ Illuminaมีปัญหาในการอ่านลำดับที่มีปริมาณ GC สูง จีโนม ของนกเป็นที่ทราบกันดีว่ามีส่วนประกอบดังกล่าวจำนวนมาก ทำให้เกิดปัญหา "ยีนที่หายไป" ซึ่งคาดว่าจะมีอยู่จากการวิวัฒนาการและลักษณะทางฟีโนไทป์ แต่ไม่เคยมีการจัดลำดับมาก่อน จนกระทั่งมีการใช้วิธีการที่ได้รับการปรับปรุง[ 26 ]

อนุกรมวิธาน

ปัญหาเรื่องสปีชีส์ในอนุกรมวิธานที่ไม่ใช่ยูคาริโอตได้นำไปสู่ข้อเสนอแนะต่างๆ ในการจำแนกแบคทีเรีย และคณะกรรมการเฉพาะกิจว่าด้วยการประนีประนอมแนวทางในการจัดระบบอนุกรมวิธานของแบคทีเรียในปี 1987 ได้แนะนำให้ใช้ค่าอัตราส่วน GC ในการจำแนกแบบลำดับชั้นระดับสูง[ 27 ]ตัวอย่างเช่นActinomycetotaมีลักษณะเป็น " แบคทีเรีย ที่มีปริมาณ GC สูง " [ 28 ]ในStreptomyces coelicolor A3(2) ปริมาณ GC คือ 72% [ 29 ] ด้วยการใช้วิธีการทางอนุกรมวิธานโมเลกุลที่ทันสมัยและน่าเชื่อถือมากขึ้น คำจำกัดความของ Actinomycetota ตามปริมาณ GC จึงถูกยกเลิก และ พบแบคทีเรียที่มี GC ต่ำในกลุ่ม นี้ [ 30 ]

เครื่องมือซอฟต์แวร์

GCSpeciesSorter [ 31 ]และ TopSort [ 32 ]เป็นเครื่องมือซอฟต์แวร์สำหรับจำแนกชนิดตามเนื้อหา GC ของพวกมัน

ดูเพิ่มเติม

  1. ตารางแสดงปริมาณ GC ของโปรคาริโอตทั้งหมดที่ได้รับการจัดลำดับจีโนม
  2. เครื่องมือค้นหาข้อมูลจำแนกประเภทแบคทีเรียตามอัตราส่วน GC บนเว็บไซต์ NCBI
  3. อัตราส่วน GC ในสายพันธุ์ต่างๆ

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ใน ชีววิทยาโมเลกุล และ พันธุศาสตร์ ปริมาณ GC ( หรือ ปริมาณ G+C หรือ ปริมาณกัวนีน-ไซโตซีน ) คือเปอร์เซ็นต์ของ เบสไนโตรเจน ใน โมเลกุล DNA หรือ RNA ที่เป็น กัวนีน (G) หรือ ไซโตซีน...

โครงสร้าง

ในเชิงคุณภาพ กัวนีน (G) และไซโตซีน (C) เกิด พันธะไฮโดรเจน จำเพาะ ระหว่างกัน ในขณะที่อะดีนีน (A) เกิดพันธะจำเพาะกับไทมีน (T) ในดีเอ็นเอ และกับยูราซิล (U) ในอาร์เอ็นเอ ในเชิงปริมาณ คู่เบส GC แต่ละคู่ ยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนสามพันธะ ในขณะที่คู่เบส AT และ AU...

การกำหนด

ปริมาณ GC มักแสดงเป็นค่าเปอร์เซ็นต์ แต่บางครั้งก็แสดงเป็นอัตราส่วน (เรียกว่า อัตราส่วน G+C หรือ อัตราส่วน GC ) เปอร์เซ็นต์ปริมาณ GC คำนวณได้ดังนี้ [ 7 ]

ความแปรผันภายในจีโนม

พบว่าอัตราส่วน GC ภายในจีโนมมีความแปรผันอย่างมาก ความแปรผันของอัตราส่วน GC ภายในจีโนมของสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนมากขึ้นส่งผลให้เกิดการก่อตัวคล้ายโมเสกโดยมีบริเวณเกาะเล็กๆ ที่เรียกว่า ไอโซคอร์ [ 11 ] ซึ่ง ส่งผลให้ความเข้มของการย้อมสีใน โครโมโซม มี ความแปรผัน [ 12...