محتوى GC

في علم الأحياء الجزيئي وعلم الوراثة ، يشير محتوى GC (أو محتوى الجوانين-السيتوزين ) إلى النسبة المئوية للقواعد النيتروجينية في جزيء DNA أو RNA التي تكون إما جوانين (G) أو سايتوزين (C). ^[1] يشير هذا المقياس إلى نسبة قواعد G وC من إجمالي أربع قواعد ضمنية، بما في ذلك أيضًا الأدينين والثايمين في DNA والأدينين واليوراسيل في RNA.

قد يُعطى محتوى GC لشظية معينة من DNA أو RNA أو لجينوم كامل . عندما يشير إلى شظية، فقد يشير إلى محتوى GC لجين فردي أو قسم من جين (مجال)، أو مجموعة من الجينات أو مجموعات الجينات، أو منطقة غير مشفرة ، أو أوليجونوكليوتيد اصطناعي مثل البادئ .

من الناحية النوعية، يخضع الجوانين (G) والسيتوزين (C) لرابطة هيدروجينية محددة مع بعضهما البعض، بينما يرتبط الأدينين (A) بشكل خاص مع الثايمين (T) في الحمض النووي ومع اليوراسيل (U) في الحمض النووي الريبي. من الناحية الكمية، يتم ربط كل زوج من قواعد GC معًا بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية، بينما يتم ربط أزواج قواعد AT وAU معًا بواسطة رابطتين هيدروجينيتين. للتأكيد على هذا الاختلاف، غالبًا ما يتم تمثيل أزواج القواعد على أنها "G ≡C" مقابل "A = T" أو "A = U".

الحمض النووي ذو المحتوى المنخفض من GC أقل استقرارًا من الحمض النووي ذو المحتوى العالي من GC؛ ومع ذلك، فإن الروابط الهيدروجينية نفسها ليس لها تأثير كبير بشكل خاص على الاستقرار الجزيئي، والذي يحدث بدلاً من ذلك بشكل أساسي بسبب التفاعلات الجزيئية لتكديس القواعد. ^[2] وعلى الرغم من الثبات الحراري الأعلى الممنوح للحمض النووي ذو المحتوى العالي من GC، فقد لوحظ أن بعض أنواع البكتيريا على الأقل ذات الحمض النووي ذو المحتوى العالي من GC تخضع للتحلل الذاتي بسهولة أكبر، مما يقلل من طول عمر الخلية في حد ذاتها . ^[3] بسبب الثبات الحراري لأزواج GC، كان يُفترض ذات يوم أن المحتوى العالي من GC كان تكيفًا ضروريًا لدرجات الحرارة المرتفعة، ولكن تم دحض هذه الفرضية في عام 2001. ^[4] ومع ذلك، فقد ثبت أن هناك ارتباطًا قويًا بين النمو الأمثل لبدائيات النوى في درجات حرارة أعلى ومحتوى GC من الحمض النووي الريبي الهيكلي مثل الحمض النووي الريبي الريبوسومي ، والحمض النووي الريبي الناقل ، والعديد من الحمض النووي الريبي غير المشفر الأخرى . ^{[4] [5]} أزواج قواعد AU أقل استقرارًا من أزواج قواعد GC، مما يجعل هياكل الحمض النووي الريبي ذات المحتوى العالي من GC أكثر مقاومة لتأثيرات درجات الحرارة المرتفعة.

في الآونة الأخيرة، تم إثبات أن العامل الأكثر أهمية الذي يساهم في الاستقرار الحراري للأحماض النووية ذات السلسلة المزدوجة يرجع في الواقع إلى تكديس القواعد المجاورة وليس عدد الروابط الهيدروجينية بين القواعد. هناك طاقة تكديس أكثر ملاءمة لأزواج GC مقارنة بأزواج AT أو AU بسبب المواضع النسبية للمجموعات الخارجية. بالإضافة إلى ذلك، هناك ارتباط بين الترتيب الذي تتكدس به القواعد والاستقرار الحراري للجزيء ككل. ^[6]

يتم التعبير عن محتوى GC عادةً كقيمة مئوية، ولكن في بعض الأحيان كنسبة (تسمى نسبة G+C أو نسبة GC ). يتم حساب نسبة محتوى GC على النحو التالي ^[7]

${\displaystyle {\cfrac {G+C}{A+T+G+C}}\times 100\%}$

في حين يتم حساب نسبة AT/GC على النحو التالي ^[8]

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

يمكن قياس نسب محتوى GC وكذلك نسبة GC بعدة وسائل، ولكن إحدى أبسط الطرق هي قياس درجة انصهار الحلزون المزدوج للحمض النووي باستخدام مطيافية الضوء . تزداد امتصاصية الحمض النووي عند طول موجي 260 نانومتر بشكل حاد إلى حد ما عندما ينفصل جزيء الحمض النووي مزدوج السلسلة إلى سلسلتين مفردتين عند تسخينه بدرجة كافية. ^[9] يستخدم البروتوكول الأكثر استخدامًا لتحديد نسب GC قياس التدفق الخلوي لأعداد كبيرة من العينات. ^[10]

بطريقة بديلة، إذا تم تسلسل جزيء DNA أو RNA قيد التحقيق بشكل موثوق ، فيمكن حساب محتوى GC بدقة عن طريق الحساب البسيط أو باستخدام مجموعة متنوعة من أدوات البرامج المتاحة للجمهور، مثل حاسبة GC المجانية عبر الإنترنت.

وُجِد أن نسبة GC داخل الجينوم متغيرة بشكل ملحوظ. وتؤدي هذه الاختلافات في نسبة GC داخل جينومات الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا إلى تكوين يشبه الفسيفساء مع مناطق الجزر تسمى المتساويات . ^[11] ويؤدي هذا إلى اختلافات في شدة التلوين في الكروموسومات . ^[12] عادةً ما تتضمن المتساويات الغنية بـ GC العديد من الجينات المشفرة للبروتين داخلها، وبالتالي فإن تحديد نسب GC لهذه المناطق المحددة يساهم في رسم خرائط المناطق الغنية بالجينات في الجينوم. ^{[13] [14]}

في منطقة طويلة من التسلسل الجينومي، غالبًا ما تتميز الجينات بمحتوى GC أعلى على النقيض من محتوى GC الخلفي للجينوم بأكمله. ^[15] هناك أدلة على أن طول منطقة الترميز في الجين يتناسب بشكل مباشر مع محتوى G + C الأعلى. ^[16] وقد تم الإشارة إلى ذلك من خلال حقيقة أن كودون التوقف لديه تحيز نحو نيوكليوتيدات A و T، وبالتالي، كلما كان التسلسل أقصر، زاد تحيز AT. ^[17]

أظهرت مقارنة أكثر من 1000 جين متماثل في الثدييات اختلافات ملحوظة داخل الجينوم في محتوى موضع الكودون الثالث ، مع نطاق من أقل من 30% إلى أكثر من 80%. ^[18]

وجد أن محتوى GC متغير باختلاف الكائنات الحية، ومن المتوقع أن تساهم عملية ذلك في التنوع في الاختيار ، والتحيز الطفري، وإصلاح الحمض النووي المرتبط بإعادة التركيب . ^[19]

يتراوح متوسط ​​محتوى GC في الجينومات البشرية من 35% إلى 60% عبر شظايا 100 كيلو بايت، بمتوسط ​​41%. ^[20] يبلغ محتوى GC في الخميرة ( Saccharomyces cerevisiae ) 38%، ^[21] ومحتوى كائن نموذجي شائع آخر ، وهو نبات الجرجير ( أرابيدوبسيس ثاليانا )، 36%. ^[22] وبسبب طبيعة الشفرة الوراثية ، يكاد يكون من المستحيل أن يكون لدى الكائن الحي جينوم بمحتوى GC يقترب من 0% أو 100%. ومع ذلك، فإن النوع الذي يحتوي على محتوى GC منخفض للغاية هو Plasmodium falciparum (GC% = ~20%)، ^[23] ومن الشائع عادةً الإشارة إلى مثل هذه الأمثلة على أنها غنية بـ AT بدلاً من فقيرة بـ GC. ^[24]

لقد خضعت العديد من أنواع الثدييات (مثل الزبابة ، والخفاش الصغير ، والتينريك ، والأرنب ) بشكل مستقل لزيادة ملحوظة في محتوى GC في جيناتها. ترتبط هذه التغييرات في محتوى GC بخصائص تاريخ حياة الأنواع (مثل كتلة الجسم أو طول العمر) وحجم الجينوم ، ^[18] وقد تكون مرتبطة بظاهرة جزيئية تسمى تحويل الجينات المتحيزة GC . ^[25]

في تجارب تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، غالبًا ما يتم استخدام محتوى GC للأوليجونوكليوتيدات القصيرة المعروفة باسم البادئات للتنبؤ بدرجة حرارة التلدين الخاصة بها على الحمض النووي القالبي. يشير مستوى محتوى GC الأعلى إلى درجة حرارة ذوبان أعلى نسبيًا.

تواجه العديد من تقنيات التسلسل، مثل تسلسل Illumina ، صعوبة في قراءة تسلسلات ذات محتوى عالٍ من GC. ومن المعروف أن جينومات الطيور تحتوي على العديد من هذه الأجزاء، مما يتسبب في مشكلة "الجينات المفقودة" التي من المتوقع أن تكون موجودة من التطور والنمط الظاهري ولكن لم يتم تسلسلها أبدًا - حتى تم استخدام أساليب محسنة. ^[26]

أدت مشكلة الأنواع في التصنيف غير حقيقيات النوى إلى اقتراحات مختلفة في تصنيف البكتيريا، وأوصت اللجنة المخصصة للتوفيق بين المناهج المتبعة في التصنيفات البكتيرية لعام 1987 باستخدام نسب GC في التصنيف الهرمي الأعلى مستوى. ^[27] على سبيل المثال، تتميز Actinomycetota بأنها " بكتيريا ذات محتوى GC مرتفع ". ^[28] في Streptomyces coelicolor A3 (2)، يبلغ محتوى GC 72٪. ^[29] مع استخدام طرق أكثر موثوقية وحداثة للتصنيفات الجزيئية، تم إلغاء تعريف محتوى GC لـ Actinomycetota وتم العثور على بكتيريا ذات محتوى GC منخفض من هذا الفرع . ^[30]

GCSpeciesSorter ^[31] و TopSort ^[32] عبارة عن أدوات برمجية لتصنيف الأنواع بناءً على محتويات GC الخاصة بها.

• تحيز استخدام الكودون

1. جدول يحتوي على محتوى GC لجميع بدائيات النوى المتسلسلة
2. متصفح تصنيفي للبكتيريا يعتمد على نسبة GC على موقع NCBI.
3. نسبة GC في الأنواع المختلفة.