GCスキュー

GCスキューとは、 DNAまたはRNAの特定の領域でヌクレオチドの グアニンとシトシンが過剰または不足している状態を指します。GCスキューは、鎖特異的なグアニンの過剰発現を測定する統計的手法でもあります。^[1]

平衡状態（突然変異や選択圧がなく、ヌクレオチドがゲノム内にランダムに分布している状態）では、DNA分子の両方の一本鎖において、 4つのDNA塩基（アデニン、グアニン、チミン、シトシン）の頻度が等しくなります。 ^[2]しかし、ほとんどの細菌（大腸菌など）と一部の古細菌（サルフォロバス・ソルファタリカスなど）では、リーディング鎖とラギング鎖のヌクレオチド組成は非対称です。リーディング鎖にはグアニン（G）とチミン（T）が多く含まれ、ラギング鎖にはアデニン（A）とシトシン（C）が多く含まれます。^{[2]この現象は}GCとATのスキューと呼ばれ、対応する統計は^[2]次のように定義されています。

GC スキュー = (G - C)/(G + C)

AT スキュー = (A − T)/(A + T)

1950年のエルヴィン・シャルガフの研究は、DNAにはグアニンとシトシン、アデニンとチミンという2つの塩基が同じだけ存在することを実証した。しかし、一方の塩基対が他方の塩基対と同等の量に存在することはなかった。 ^{[3]シャルガフの発見は}シャルガフの法則またはパリティ法則と呼ばれている2。^[3] 3年後、ワトソンとクリックはDNAの構造を導出する際にこの事実を利用し、二重らせんモデルを考案した。

パリティルール 1 の自然な結果として、2 本の DNA 鎖のいずれにも突然変異や選択バイアスがない平衡状態では、置換率が等しい場合、各鎖の相補ヌクレオチドには、特定の塩基とその相補塩基が等量含まれることになります。^{[4]言い換えれば、各 DNA 鎖では、置換率が等しいと考えられるため、T の発生頻度は A と等しく、G の発生頻度は C と等しくなります。この現象は}パリティルール 2と呼ばれます。したがって、2 番目のパリティルールは、突然変異や置換がない場合にのみ存在します。

パリティルール2からの逸脱は、リーディング鎖（つまり、順方向に複製されるDNA鎖）とラギング鎖を区別する非対称塩基構成をもたらします。この非対称性はGCスキューまたはATスキューと呼ばれます。^[2]

一部の細菌ゲノムでは、リーディング鎖ではグアニンがシトシンより、チミンがアデニンより多く、ラギング鎖ではその逆になっています。ヌクレオチド組成の偏りのスペクトルは、G = 0 または A = 0 に対応する -1 から、T = 0 または C = 0 に対応する +1 までの範囲です。^[2]したがって、正の GC 偏りは C よりも G が豊富であることを表し、負の GC 偏りは G よりも C が豊富であることを表します。結果として、リーディング鎖では正の GC 偏りと負の AT 偏りが見られ、ラギング鎖では負の GC 偏りと正の AT 偏りが見られることが予想されます。^{[5] GC または AT 偏りは、DNA 複製起点または終点に対応する 2 つの}レプリコアの境界で符号が変わります。^{[2] [4] [5]}もともと、この非対称なヌクレオチド構成は、DNA複製においてリーディング鎖とラギング鎖の間で異なるメカニズムが使用されることで説明されていました。DNA複製は半保存的であり、それ自体が非対称なプロセスです。^[6]この非対称性は、複製フォークの形成とそれが新生リーディング鎖とラギング鎖に分裂することによって生じます。リーディング鎖は連続的に合成され、リーディング鎖と並んで配置されます。ラギング鎖は、5'から3'方向にポリヌクレオチドの短い断片（岡崎断片）を介して複製されます。^[6]

GC スキューとその特性を計算し、グラフで示すには、主に 3 つのアプローチがあります。

最初のアプローチは、GCとATの非対称性です。^[2] Jean R. Lobryは、1996年に初めて、大腸菌、枯草菌、インフルエンザ菌の3つの細菌のゲノムに組成の非対称性があることを報告^しました。当時の元の式は、スキューではなく、[A] = [T]または[C] = [G]からの偏差と呼ばれていました。

[A] = [T]からの偏差は(A − T)/(A + T)となる。

[C] = [G]からの偏差は(C − G)/(C + G)となる。

ここで、A、T、G、Cは、定義された長さの特定の配列における同等の塩基の出現頻度を表します。ウィンドウスライディング戦略は、ゲノム全体でCからの偏差を計算するために使用されます。これらのプロットでは、Cからの正の偏差はラギング鎖に対応し、Cからの負の偏差はリーディング鎖に対応します。^[8]さらに、偏差の符号が切り替わるサイトは、起点または末端に対応します。x軸は5'から3'にプロットされた染色体の位置を表し、y軸は偏差値を表します。この方法の主な弱点は、ウィンドウサイズに依存する特性です。したがって、適切なウィンドウサイズを選択すると、プロットの結果に大きな影響を与えます。DNA複製の起点をより正確に特定して位置を特定するには、他の手法を偏差と組み合わせる必要があります。

2番目のアプローチは、累積GCスキュー（CGCスキュー）と呼ばれます。^[9]この方法では、スライディングウィンドウ戦略を使用しますが、任意の開始からの隣接するウィンドウの合計を利用します。このスキームでは、通常、任意の開始と任意の鎖を使用して、ゲノム全体を5'から3'にプロットします。累積GCスキュープロットでは、ピークはスイッチポイント（末端または起点）に対応します。

Lobry の以前の論文とは対照的に、GC skew の最近の実装では元の定義が反転し、次のように再定義されています。

GCスキュー=(G − C)/(G + C)。

GC スキューの定義を反転すると、累積スキューの最大値はターミナルに対応し、最小値はレプリケーションの起点に対応します。

最後のアプローチはZ曲線です。^[10]これまでの方法とは異なり、この方法はスライディングウィンドウ戦略を使用せず、複製起点を見つけるのに優れていると考えられています。^[10]この方法では、配列の先頭の塩基に対する各塩基の累積頻度が調査されます。Z曲線は、次のパラメータを持つ3次元表現を使用します。

${\displaystyle x_{n}=(A_{n}+G_{n})-(C_{n}+T_{n})}$

${\displaystyle y_{n}=(A_{n}+C_{n})-(G_{n}+T_{n})}$

${\displaystyle z_{n}=(A_{n}+T_{n})-(C_{n}+G_{n})}$

ここで、はプリンがピリミジンに対して過剰であることを表し、はケトがアミノに対して過剰であることを示し、は弱い水素結合と強い水素結合の関係を示しています。 および 成分は単独でも、複製起点と鎖の非対称構成を検出できます。 複製起点と末端の予測には、これらの方法を組み合わせて使用​​し、その弱点を補う必要があります。 ${\displaystyle n=0,1,2,...N}$${\displaystyle x_{n}}$${\displaystyle y_{n}}$${\displaystyle z_{n}}$${\displaystyle x}$${\displaystyle y}$

DNA鎖内のヌクレオチド組成の偏りの背後にあるメカニズムに関しては、科学界でコンセンサスが得られていません。細菌の鎖特異的ヌクレオチド組成の背後にあるメカニズムを説明する主要な学派が2つあります。^[4]

最初のものは、複製および転写中の各DNA鎖に対する偏りと非対称な変異圧を表します。^{[4] [11]}複製プロセスの非対称性により、複製プロセス中の不均等な変異頻度とDNA修復効率により、一方の鎖に他方の鎖と比較して多くの変異が導入される可能性があります。 ^[5]さらに、2つの鎖間で複製に使用される時間は異なり、リーディング鎖とラギング鎖の間に非対称な変異圧につながる可能性があります。^[12] DNA複製中の変異に加えて、転写変異によって鎖固有のヌクレオチド組成の偏りが生じる可能性があります。^{[5] 1つのDNA鎖でのシトシンの}脱アミノ化、そして最終的にはシトシンからチミンへの変異により、シトシンとアデニンに対するグアニンとチミンの相対数が増加する可能性があります。^[5]ほとんどの細菌では、遺伝子の大部分がリーディング鎖にコードされています。^{[4]例えば、}枯草菌のリーディング鎖は遺伝子の 75% をコードしています。^[5]さらに、非コード鎖と比較して、コード鎖では脱アミノ化とシトシンからチミンへの変換が過剰であることが報告されています。^{[4] [5] [13]}考えられる説明の 1 つは、転写プロセス中に非転写鎖 (コード鎖) が一本鎖であるため、転写鎖 (非コード鎖)と比較して脱アミノ化に対して脆弱であるということです。 ^{[5] [14]}別の説明は、転写中の脱アミノ化修復活性がコード鎖では発生しないということです。^[5]転写鎖のみがこれらの脱アミノ化修復イベントの恩恵を受けます。

2 番目の学派は、GC および AT スキューのメカニズムは、リーディング鎖とラギング鎖の選択圧の差から生じると説明しています。 ^{[4] [5] [14]}原核生物のゲノムを調べたところ、3 番目のコドン位置では C よりも G、A よりも T が優先されることが示されています。 ^[5]この区別により、細菌の場合のようにコード鎖がリーディング鎖とラギング鎖に不均等に分布している場合、非対称のヌクレオチド構成が生成されます。 さらに、リボソームタンパク質などの高度に転写される遺伝子は、細菌ではほとんどがリーディング鎖に位置することが示されています。^{[5]したがって、3 番目の位置のコドン選択における C よりも G の偏りが GC スキューにつながる可能性があります。 さらに、一部のシグナル配列は、}キ配列など、グアニンとチミンに富んでおり、これらの配列は、一方の鎖でもう一方の鎖よりも出現頻度が高い可能性があります。^{[4] [5]}

突然変異圧と選択圧はどちらも独立してDNA鎖に非対称性をもたらす可能性がある。しかし、両方のメカニズムの組み合わせと累積的な影響が、GCとATの偏りに対する最も妥当な説明である。^{[4] [14]}

GCスキューは、DNAのリーディング鎖、ラギング鎖、複製開始点、複製終了点の指標として有用であることが証明されています。^{[2] [4] [5]}ほとんどの細菌と古細菌には、DNA複製開始点が1つしかありません。^[2] GCスキューは、リーディング鎖では正、ラギング鎖では負です。したがって、DNA複製開始点と終了点でGCスキューの符号が切り替わることが予想されます。^[4] GCスキューは、さまざまな環境での1つの塩基の相補塩基に対する過剰を計算することにより、鎖のバイアスとそれに関連するメカニズムを研究するためにも使用できます。^{[4] [5] [14]} GCスキュー、CGCスキュー、Z曲線などの方法は、さまざまな生物におけるDNA複製のメカニズムをよりよく調査する機会を提供できるツールです。

• Mewes, HW et al. MIPS: 2005 年の全ゲノムからのタンパク質の分析と注釈。Nucleic Acids Res 34、D169-172、doi:10.1093/nar/gkj148 (2006)。