GC skewคือภาวะที่ นิวคลี โอไทด์กัวนีนและไซโตซีนมีปริมาณมากเกินไปหรือน้อยเกินไปในบริเวณใดบริเวณหนึ่งของDNAหรือRNA GC skew ยังเป็นวิธีการทางสถิติสำหรับการวัดปริมาณกัวนีนที่มากเกินไปเฉพาะสายอีกด้วย^{[ 1 ]}

ในสภาวะสมดุล (โดยไม่มีแรงกดดันจากการกลายพันธุ์หรือ การคัดเลือก และมีนิวคลีโอไทด์กระจายแบบสุ่มภายในจีโนม ) จะมีความถี่เท่ากันของเบส DNA ทั้งสี่ ( อะดีนีนกั ว นีนไทมี น และไซโตซีน ) บนสายเดี่ยว ทั้งสอง ของโมเลกุล DNA ^{[ 2 ]}อย่างไรก็ตาม ในแบคทีเรีย ส่วนใหญ่ (เช่นE. coli ) และอาร์เคีย บางชนิด (เช่นSulfolobus solfataricus ) องค์ประกอบของนิวคลีโอไทด์จะไม่สมมาตรระหว่างสายนำและสายตาม : สายนำมีกัวนีน (G) และไทมีน (T) มากกว่า ในขณะที่สายตามมีอะดีนีน (A) และไซโตซีน (C) มากกว่า^{[ 2 ]}ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าGCและAT skewและสถิติที่เกี่ยวข้องได้รับการกำหนด^{[ 2 ]}ดังนี้:

ค่าเบี่ยงเบน GC = (G - C)/(G + C)

ความเบี่ยงเบนของ AT = (A − T)/(A + T)

งาน ของ Erwin Chargaffในปี 1950 แสดงให้เห็นว่าใน DNA เบสกัวนีนและไซโตซีนพบได้ในปริมาณที่เท่ากัน และเบสอะดีนีนและไทมีนก็พบได้ในปริมาณที่เท่ากัน อย่างไรก็ตาม ปริมาณของเบสคู่หนึ่งกับอีกคู่หนึ่งนั้น ไม่เท่ากัน ^{[ 3 ]}การค้นพบของ Chargaff นี้เรียกว่ากฎของ Chargaffหรือกฎความเท่าเทียมกัน 2 [ ^{3 ] สาม} ปีต่อมา Watson และ Crick ได้ใช้ข้อเท็จจริงนี้ในการหาโครงสร้างของ DNA ซึ่งก็คือแบบจำลองเกลียวคู่ ของพวก เขา

A natural result of parity rule 1, at the state of equilibrium, in which there is no mutation and/or selection biases in any of the two DNA strands, is that when there is an equal substitution rate, the complementary nucleotides on each strand have equal amounts of a given base and its complement.^[4] In other words, in each DNA strand the frequency of the occurrence of T is equal to A and the frequency of the occurrence of G is equal to C because the substitution rate is presumably equal. This phenomenon is referred to as parity rule 2. Hence, the second parity rule only exists when there is no mutation or substitution.

Any deviation from parity rule 2 will result in asymmetric base composition that discriminates the leading strand–i.e., the DNA strand that is replicated in the forward direction–from the lagging strand. This asymmetry is referred to as GC or AT skew.^[2]

In some bacterial genomes, there is an enrichment of guanine over cytosine and thymine over adenine on the leading strand and vice versa for the lagging strand. The nucleotide composition skew spectra ranges from −1, which corresponds to G = 0 or A = 0, to +1, which corresponds to T= 0 or C = 0.^[2] Therefore, positive GC skew represents richness of G over C and the negative GC skew represents richness of C over G. As a result, one expects to see a positive GC skew and negative AT skew in the leading strand, and a negative GC skew and a positive AT skew in the lagging strand.^[5] GC or AT skew changes sign at the boundaries of the two replichores, which correspond to DNA replication origin or terminus.^[2][4][5] Originally, this asymmetric nucleotide composition was explained as a different mechanism used in DNA replication between the leading strand and lagging strand. DNA replication is semi-conservative and an asymmetric process itself.^[6] This asymmetry is due to the formation of the replication fork and its division into nascent leading and lagging strands. The leading strand is synthesized continuously and in juxtapose to the leading strand; the lagging strand is replicated through short fragments of polynucleotide (Okazaki fragments) in a 5' to 3' direction.^[6]

There are three major approaches to calculate and graphically demonstrate GC skew and its properties.

ความเบี่ยงเบนของ CGC

แนวทางที่สองเรียกว่าค่าเบี่ยงเบน GC สะสม (CGC skew) ^{[ 9 ]}วิธีนี้ยังคงใช้กลยุทธ์หน้าต่างเลื่อน แต่ใช้ประโยชน์จากผลรวมของหน้าต่างที่อยู่ติดกันจากจุดเริ่มต้นที่กำหนด ในแผนการนี้ โดยทั่วไปจะพล็อตจีโนมทั้งหมดจาก 5' ถึง 3' โดยใช้จุดเริ่มต้นที่กำหนดและสายที่กำหนด ในพล็อตค่าเบี่ยงเบน GC สะสม จุดสูงสุดจะสอดคล้องกับจุดเปลี่ยน (ปลายหรือจุดกำเนิด)

ตรงกันข้ามกับบทความก่อนหน้าของ Lobry การใช้งาน GC skew ในเวอร์ชันล่าสุดได้พลิกกลับคำจำกัดความเดิม โดยกำหนดนิยามใหม่เป็น:

ความเบี่ยงเบนของ GC = (G − C)/(G + C)

ด้วยนิยามที่กลับด้านของ GC skew ค่าสูงสุดของ skew สะสมจะสอดคล้องกับจุดสิ้นสุด และค่าต่ำสุดจะสอดคล้องกับจุดเริ่มต้นของการจำลองแบบ

ชุมชนวิทยาศาสตร์ยังขาดฉันทามติเกี่ยวกับกลไกที่อยู่เบื้องหลังอคติในองค์ประกอบนิวคลีโอไทด์ภายในสาย DNA แต่ละสาย มีแนวคิดหลักสองแนวคิดที่อธิบายกลไกเบื้องหลังองค์ประกอบนิวคลีโอไทด์เฉพาะสายในแบคทีเรีย^{[ 4 ​​]}

ข้อแรกอธิบายถึงอคติและแรงกดดันการกลายพันธุ์ ที่ไม่สมมาตร บนสาย DNA แต่ละสายระหว่างการจำลองและการถอดรหัส^{[ 4 ] [ 11 ]}เนื่องจากลักษณะที่ไม่สมมาตรของกระบวนการจำลอง ความถี่การกลายพันธุ์ที่ไม่เท่ากันและ ประสิทธิภาพ การซ่อมแซม DNAในระหว่างกระบวนการจำลองสามารถทำให้เกิดการกลายพันธุ์ในสายหนึ่งมากกว่าอีกสายหนึ่ง^{[ 5 ]}นอกจากนี้ เวลาที่ใช้ในการจำลองระหว่างสองสายจะแตกต่างกันและอาจนำไปสู่แรงกดดันการกลายพันธุ์ที่ไม่สมมาตรระหว่างสายนำและสายตาม^{[ 12 ]}นอกเหนือจากการกลายพันธุ์ในระหว่างการจำลอง DNA แล้ว การกลายพันธุ์ในการถอดรหัสยังสามารถสร้างความเบี่ยงเบนขององค์ประกอบนิวคลีโอไทด์เฉพาะสายได้^{[ 5 ]}การดีอะมิเนชันของไซโตซีนและในที่สุดการกลายพันธุ์ของไซโตซีนเป็นไทมีนในสาย DNA สายหนึ่งสามารถเพิ่มจำนวนสัมพัทธ์ของกัวนีนและไทมีนต่อไซโตซีนและอะดีนีนได้^{[ 5 ]}ในแบคทีเรียส่วนใหญ่ ยีนส่วนใหญ่จะถูกเข้ารหัสในสายนำ^{[ 4 ]}ตัวอย่างเช่น สายนำในBacillus subtilisเข้ารหัสยีน 75% ^{[ 5 ]}นอกจากนี้ ยังมีรายงานว่ามีการกำจัดหมู่เอมีนและการเปลี่ยนไซโตซีนเป็นไทมีนมากเกินไปในสายที่เข้ารหัสเมื่อเทียบกับสายที่ไม่เข้ารหัส^{[ 4 ] [ 5 ] [ 13 ]}คำอธิบายที่เป็นไปได้ประการหนึ่งคือ สายที่ไม่ถูกถอดรหัส ( สายที่เข้ารหัส ) เป็นสายเดี่ยวในระหว่างกระบวนการถอดรหัส ดังนั้นจึงมีความเสี่ยงต่อการกำจัดหมู่เอมีนมากกว่าสายที่ถูกถอดรหัส ( สายที่ไม่เข้ารหัส ) ^{[ 5 ] [ 14 ]}คำอธิบายอีกประการหนึ่งคือ กิจกรรมการซ่อมแซมการกำจัดหมู่เอมีนในระหว่างการถอดรหัสจะไม่เกิดขึ้นบนสายที่เข้ารหัส^{[ 5 ]}มีเพียงสายที่ถูกถอดรหัสเท่านั้นที่ได้รับประโยชน์จากเหตุการณ์การซ่อมแซมการกำจัดหมู่เอมีนเหล่านี้

แนวคิดที่สองอธิบายกลไกของความเบี่ยงเบน GC และ AT ว่าเป็นผลมาจากความแตกต่างของแรงกดดันในการคัดเลือกระหว่างสายนำและสายตาม^{[ 4 ] [ 5 ] [ 14 ]}การตรวจสอบจีโนมของโปรคาริโอตแสดงให้เห็นถึงความชอบในตำแหน่งโคดอนที่สามสำหรับ G มากกว่า C และ T มากกว่า A ^{[ 5 ]}การเลือกปฏิบัตินี้สร้างองค์ประกอบนิวคลีโอไทด์ที่ไม่สมมาตร หากสายการเข้ารหัสมีการกระจายไม่เท่ากันระหว่างสายนำและสายตาม เช่นเดียวกับในกรณีของแบคทีเรีย นอกจากนี้ ยีนที่มีการถอดรหัสสูง เช่นโปรตีนไรโบโซมพบว่าส่วนใหญ่อยู่บนสายนำในแบคทีเรีย^{[ 5 ]}ดังนั้น อคติในการเลือกโคดอนตำแหน่งที่สามของ G มากกว่า C อาจนำไปสู่ความเบี่ยงเบน GC นอกจากนี้ ลำดับสัญญาณบางลำดับอุดมไปด้วยกัวนีนและไทมีน เช่นลำดับไคและลำดับเหล่านี้อาจมีความถี่ในการเกิดขึ้นในสายหนึ่งมากกว่าอีกสายหนึ่ง^{[ 4 ] [ 5 ]}

ทั้งแรงกดดันจากการกลายพันธุ์และแรงกดดันจากการคัดเลือกสามารถทำให้เกิดความไม่สมมาตรในสาย DNA ได้โดยอิสระ อย่างไรก็ตาม การรวมกันและผลสะสมของกลไกทั้งสองเป็นคำอธิบายที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดสำหรับความเบี่ยงเบนของ GC และ AT ^{[ 4 ] [ 14 ]}

ค่า GC skew ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในฐานะตัวบ่งชี้ของสายนำ สายตาม จุดเริ่มต้นการจำลอง และจุดสิ้นสุดการจำลองของ DNA ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]}แบคทีเรียและอาร์เคียส่วนใหญ่มีจุดเริ่มต้นการจำลอง DNA เพียงจุดเดียว^{[ 2 ]}ค่า GC skew เป็นบวกและลบในสายนำและสายตามตามลำดับ ดังนั้นจึงคาดว่าจะเห็นการเปลี่ยนแปลงของเครื่องหมาย GC skew ที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดการจำลอง DNA ^{[ 4 ]} GC skew ยังสามารถใช้เพื่อศึกษาความลำเอียงของสายและกลไกที่เกี่ยวข้องโดยการคำนวณปริมาณเบสที่เกินจากเบสที่เสริมกันในสภาพแวดล้อมต่างๆ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 14 ]}วิธีการต่างๆ เช่น GC skew, CGC skew และ Z curve เป็นเครื่องมือที่สามารถให้โอกาสในการตรวจสอบกลไกการจำลอง DNA ในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้ดียิ่งขึ้น

• Mewes, HW และคณะ MIPS: การวิเคราะห์และการระบุโปรตีนจากจีโนมทั้งหมดในปี 2005 Nucleic Acids Res 34, D169-172, doi:10.1093/nar/gkj148 (2006)