AT対とGC対。矢印は水素結合を指している。

GC含量(GC-content)は、DNA分子中の窒素塩基のうちグアニンシトシンの割合である[1]。また、この用語はDNA・RNAの特定の断片や、ゲノム全体に対しても用いられる。

AT対が2つの水素結合で結ばれているのに対し、GC対は3つの水素結合で結ばれている。GC含量の高いDNAは低いものよりも安定しているが、この安定性は水素結合によるものではなく、主にスタッキング相互作用によるものである[2]。遺伝物質の高い耐熱性に関わらず、高いGC含量のDNAを含む細胞自己融解を起こし、細胞の寿命自体は短い[3]。高GC含量のDNAを持つ生物の頑健性のため、GC含量は温度適応に重要な役割を果たすと信じられてきたが、この仮説は反証された[4]。しかし同じ研究で、高温と(rRNAtRNAや他のncRNAのような)構造RNAのGC含量との間で強い相関が示された。近年初めて行われた、遺伝子を中心とした体系的な大規模相関分析によって、特定のゲノム部位についてのみGC含量と温度の間に相関が見られることが示された[5]

PCRでは、プライマーのGC含量から相補DNAのアニーリング温度が予測される。高いGC含量を持つプライマーは、高いアニーリング温度を持つことが示唆される。

GC含量の決定編集

GC含量%は次のように計算される[6]

 

別の表現としてAT/GC比があり、次のように計算される[7]

 

これらは様々な方法で測定可能であるが、最も単純な方法の1つに、分光測色法を用いたDNAの「融点」の測定がある。DNAによる波長260nmの吸光は、二重鎖DNAが十分に加熱されて一本鎖DNAに分離すると急激に増加する[8]。最も一般的に用いられている手法として、ATまたはGCのみに結合する蛍光色素を用いた、大量のDNAサンプルに対するフローサイトメトリーの利用がある[9]

別の自明な方法として、DNA・RNAの塩基配列が決定されると、単純計算によりGC含量を正確に算出できる。

ゲノムのGC比編集

ゲノム中のGC比はかなり変動がある。複雑な生物では、高GC比領域はモザイク状に点在し、アイソコアと呼ばれる"小島"状の領域を形成する[10]。これは、染色体の染色強度の違いに直接現れる[11]。アイソコアはタンパク質コード領域を多く含むため、これらの領域のGC比の決定は、遺伝子の多い領域をゲノム中から特定することに役立つ[12][13]

GC比と配列決定編集

ゲノム配列を俯瞰すると、非コード領域に対し、タンパク質コード領域は高いGC含量を持つことがよく見られる。コード領域の長さがGC含量に正比例することを示す証拠も得られている[14]終止コドンがアデニンとチミンに偏っているという理由から、配列が短いほどATバイアスは高くなる[15]

分類学への応用編集

分類群によってGC含量が異なる理由として、進化過程における選択・突然変異バイアス・DNA修復時のバイアス等の寄与が想定されている[16]原核生物分類学の種の定義における問題は、細菌の分類に関する様々な示唆を与え、ad hoc committee on reconciliation of approaches to bacterial systematicsは細菌の高次分類にGC比を用いることを勧告した[17]。例えば、放線菌は「高GC含量の細菌」として特徴づけられ[18]、その1種であるストレプトマイセス属Streptomyces coelicolor A3(2)では72%である[19]。細菌以外のモデル生物では、出芽酵母では38%[20]シロイヌナズナでは36%である[21]コドンの性質のため、GC含量が0%や100%に近い状態となることは実質的にはあり得ないが、熱帯熱マラリア原虫では20%以下と非常に低く[22]、AT含量が多い(つまりGC含量が少ない)生物としてしばしば言及される[23]

出典編集

  1. ^ Definition of GC – content on CancerWeb of Newcastle University,UK
  2. ^ Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006). “Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix”. Nucleic Acids Res. 34 (2): 564–74. doi:10.1093/nar/gkj454. PMC: 1360284. PMID 16449200. http://nar.oxfordjournals.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=16449200. 
  3. ^ Levin RE, Van Sickle C (1976). “Autolysis of high-GC isolates of Pseudomonas putrefaciens”. Antonie Van Leeuwenhoek 42 (1–2): 145–55. doi:10.1007/BF00399459. PMID 7999. 
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  5. ^ Zheng H, Wu H (December 2010). “Gene-centric association analysis for the correlation between the guanine-cytosine content levels and temperature range conditions of prokaryotic species”. BMC Bioinformatics 11: S7. doi:10.1186/1471-2105-11-S11-S7. PMC: 3024870. PMID 21172057. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3024870/. 
  6. ^ Madigan,MT. and Martinko JM. (2003). Brock biology of microorganisms (10th ed.). Pearson-Prentice Hall. ISBN 84-205-3679-2 
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  8. ^ Wilhelm J, Pingoud A, Hahn M (May 2003). “Real-time PCR-based method for the estimation of genome sizes”. Nucleic Acids Res. 31 (10): e56. doi:10.1093/nar/gng056. PMC: 156059. PMID 12736322. http://nar.oxfordjournals.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=12736322. 
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  18. ^ Taxonomy browser on NCBI
  19. ^ Whole genome data of "Streptomyces coelicolor" A3(2) on NCBI
  20. ^ Whole genome data of Saccharomyces cerevisiae on NCBI
  21. ^ Whole genome data of Arabidopsis thaliana on NCBI
  22. ^ Whole genome data of Plasmodium falciparum on NCBI
  23. ^ Musto H, Cacciò S, Rodríguez-Maseda H, Bernardi G (1997). “Compositional constraints in the extremely GC-poor genome of Plasmodium falciparum. Mem. Inst. Oswaldo Cruz 92 (6): 835–41. doi:10.1590/S0074-02761997000600020. PMID 9566216. http://www.scielo.br/pdf/mioc/v92n6/3431.pdf. 

外部リンク編集