GC含有量

分子生物学および遺伝学において、GC含量（またはグアニン-シトシン含量）は、DNAまたはRNA分子中の窒素塩基のうちグアニン（G）またはシトシン（C）の割合です。^[1]この指標は、 DNAのアデニンとチミン、RNAのアデニンとウラシルも含めた合計4つの塩基のうちのGとCの塩基の割合を示します。

GC 含量は、 DNA または RNA の特定の断片、またはゲノム全体に対して示される場合があります。断片を指す場合は、個々の遺伝子または遺伝子の一部 (ドメイン)、遺伝子のグループまたは遺伝子クラスター、非コード領域、またはプライマーなどの合成オリゴヌクレオチドの GC 含量を示す場合があります。

定性的には、グアニン (G) とシトシン (C) は互いに特定の水素結合を起こしますが、アデニン (A) は DNA ではチミン (T) と、RNA ではウラシル (U) と特異的に結合します。定量的には、各 GC塩基対は3 つの水素結合によって保持され、AT および AU 塩基対は 2 つの水素結合によって保持されます。この違いを強調するために、塩基対は「A=T」または「A=U」ではなく「G≡C」と表されることがよくあります。

GC含量の低いDNAはGC含量の高いDNAよりも安定性が低いが、水素結合自体は分子の安定性に特に大きな影響を与えず、主に塩基スタッキングの分子相互作用によって引き起こされる。^[2] GC含量の高い核酸は耐熱性が高いにもかかわらず、 GC含量の高いDNAを持つ細菌の少なくとも一部の種は自己分解を起こしやすく、それによって細胞自体の寿命が短くなることが観察されている。^[3] GCペアの耐熱性のため、かつてはGC含量が高いことは高温への必要な適応であると推定されていたが、この仮説は2001年に反証された^{。 [4]それでも、高温での}原核生物の最適増殖とリボソームRNA、転移RNA、その他多くの非コードRNAなどの構造RNAのGC含量との間には強い相関関係があることが示されている。^{[4] [5]} AU塩基対はGC塩基対よりも安定性が低いため、GC含有量の多いRNA構造は高温の影響に対してより耐性があります。

最近では、二本鎖核酸の熱安定性に寄与する最も重要な要因は、塩基間の水素結合の数ではなく、隣接する塩基の塩基スタッキングによるものであることが実証されています。環外基の相対的な位置により、GCペアのスタッキングエネルギーはATペアやAUペアよりも有利です。さらに、塩基がスタッキングする順序と分子全体の熱安定性の間には相関関係があります。^[6]

GC含量は通常パーセント値として表されるが、比率（G+C比またはGC比と呼ばれる）として表されることもある。GC含量のパーセンテージは次のように計算される^[7]。

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

一方、AT/GC比は次のように計算される^[8]

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

GC含有量とGC比はいくつかの方法で測定できますが、最も簡単な方法の1つは、分光光度計を使用してDNA二重らせんの融点を測定することです。十分に加熱すると、二重鎖DNA分子が2つの一本鎖に分離し、波長260 nmでのDNAの吸光度がかなり急激に増加します。^[9] GC比を決定するために最も一般的に使用されるプロトコルは、多数のサンプルに対してフローサイトメトリーを使用するものです。 ^[10]

別の方法として、調査対象の DNA または RNA 分子の配列が確実に決定されている場合は、簡単な計算や、無料のオンライン GC 計算機などのさまざまな公開ソフトウェア ツールを使用して、GC 含有量を正確に計算できます。

ゲノム内のGC比は著しく変動することが分かっています。より複雑な生物のゲノム内のGC比の変動は、アイソコアと呼ばれる島領域を伴うモザイク状の形成をもたらします。^{[11]これにより、}染色体の染色強度に変動が生じます。^[12] GCに富むアイソコアには通常、多くのタンパク質コード遺伝子が含まれており、したがってこれらの特定の領域のGC比を決定することは、ゲノムの遺伝子に富む領域のマッピングに役立ちます。 ^{[13] [14]}

ゲノム配列の長い領域内では、遺伝子はゲノム全体の背景GC含有量とは対照的に、GC含有量が高いという特徴がよく見られます。^[15]遺伝子のコード領域の長さは、G+C含有量の高さに正比例するという証拠があります。^{[16]これは、}終止コドンがAおよびTヌクレオチドに偏っているという事実に起因しており、したがって、配列が短いほどAT偏りが大きくなることが指摘されています。^[17]

哺乳類の1,000以上の相同遺伝子を比較したところ、ゲノム内で第3コドン位置のGC含有量に顕著な変異が見られ、その範囲は30%未満から80%以上であった。^[18]

GC含有量は生物によって異なることが分かっており、そのプロセスは選択の変化、突然変異の偏り、および偏った組換え関連DNA修復によって寄与されていると考えられています。^[19]

ヒトゲノムの平均GC含量は、100Kbの断片全体で35%から60%の範囲で、平均は41%です。^[20]酵母（サッカロミセス・セレビシエ）のGC含量は38%です^[21]また、別の一般的なモデル生物であるシロイヌナズナ（シロイヌナズナ）のGC含量は36%です^[22]遺伝コードの性質上、生物のゲノムのGC含量が0%または100%に近づくことは事実上不可能です。しかし、GC含量が極めて低い種として熱帯熱マラリア原虫（GC% = 約20%）があります^[23]。このような例をGCが少ないのではなく、ATが多いと呼ぶのが一般的です。^[24]

いくつかの哺乳類種（例えば、トガリネズミ、コウモリ、テンレック、ウサギ）は、それぞれ独立して遺伝子のGC含量の顕著な増加を起こしています。これらのGC含量の変化は、種の生活史特性（例えば、体重や寿命）やゲノムサイズと相関しており、^{[18] GCバイアス}遺伝子変換 と呼ばれる分子現象に関連している可能性があります。^[25]

ポリメラーゼ連鎖反応(PCR) 実験では、プライマーと呼ばれる短いオリゴヌクレオチドの GC 含有量が、テンプレート DNA へのアニーリング温度を予測するために使用されることがよくあります。GC 含有量レベルが高いほど、融解温度が比較的高くなります。

イルミナシーケンシングなどの多くのシーケンシング技術は、GC含有量の高い配列の読み取りに問題があります。鳥類のゲノムにはそのような部分が多数存在することが知られており、進化と表現型から存在すると予想されるが、改良された方法が使用されるまで配列決定されなかった「失われた遺伝子」の問題を引き起こします。^[26]

非真核生物の分類学における種の問題は、細菌の分類においてさまざまな提案を導き、1987年の細菌分類学へのアプローチの調和に関する特別委員会は、より高レベルの階層分類においてGC比の使用を推奨した。 ^[27]例えば、放線菌類は「高GC含有量細菌」として特徴付けられる。 ^[28]ストレプトマイセス・セリカラーA3(2)では、GC含有量は72%である。^{[29]より信頼性の高い最新の分子分類法の使用により、放線菌類のGC含有量の定義は廃止され、この}系統群の低GC細菌が発見された。^[30]

GCSpeciesSorter ^[31]とTopSort ^[32]は、GC含有量に基づいて種を分類するためのソフトウェアツールです。

• コドン使用バイアス

1. 配列決定されたすべての原核生物のGC含有量の表
2. NCBI ウェブサイト上の GC 比に基づいた細菌の分類ブラウザー。
3. 多様な種におけるGC比率。