Формула
GC-состав (%) = (G + C) ÷ (A + T + G + C) × 100
Считайте только A, C, G и T; неоднозначные основания вроде N не входят ни в одно из чисел. В последовательности ATGCGCTAAGCC 12 оснований, из них 7 G или C, поэтому GC-состав 7 ÷ 12 = 58%. У обеих цепей одинаковый GC-состав, потому что каждый G спарен с C.
Почему GC важен
- Стабильность: у пар G-C три водородные связи и более сильный стэкинг, чем у пар A-T, поэтому ДНК, богатая GC, плавится при более высокой температуре.
- Праймеры: цельтесь в 40–60% GC и температуру плавления 55–65 °C. G или C на 3'-конце (GC-замок) помогает праймеру связаться, но больше трёх в последних пяти основаниях вызывает неспецифический отжиг.
- ПЦР: матрицы с GC выше примерно 65% образуют вторичную структуру, и им нужны добавки (ДМСО, бетаин) или более высокая температура денатурации.
- Секвенирование и клонирование: очень высокий или очень низкий GC даёт неравномерное покрытие и затрудняет сборку.
Типичные значения
- Геном человека: 41% в целом, от 35% до более чем 60% в разных областях.
- E. coli: 51%. Saccharomyces cerevisiae: 38%.
- Plasmodium falciparum: 19%, один из самых низких известных.
- Streptomyces и другие актиномицеты: больше 70%.
GC-асимметрия
GC-асимметрия (GC skew), (G − C) ÷ (G + C) в скользящем окне, показывает, в какой цепи больше G. В бактериальных геномах она меняет знак в точке начала и в точке окончания репликации, поэтому график асимметрии указывает на ориджин.
Инструменты
Статистика ДНК даёт GC-состав, число оснований и температуру плавления любой последовательности, для одной записи или целого файла FASTA. Калькулятор Tm праймеров проверяет GC и Tm праймеров, а Поиск CpG-островков ищет CpG-островки в областях, богатых GC.
Подсчёт для более длинной последовательности
В ATGCGCTAAGCCGGTATTCAGCGTACGTTGCAAGCT 36 оснований, из них 19 G или C, так что GC-состав 19 ÷ 36 = 53%. Если разбить на три окна по 12, окна дают 58%, 50% и 50%, поэтому одно число для длинной последовательности многое скрывает. График в скользящем окне показывает, где участки, богатые GC.
Чтение графика GC
- Резкий пик GC около начала гена млекопитающих часто — CpG-островок в промоторе.
- Длинный участок с низким GC в бактериальном геноме может указывать на ДНК, полученную со стороны, поскольку у разных видов разный типичный GC.
- Ступенчатое изменение GC вдоль плазмиды часто отмечает границу между остовом и вставленным фрагментом.
Частые проблемы
- Два инструмента дают разные значения. Проверьте, как каждый обрабатывает N и другие коды неоднозначности и учитывает ли строчные замаскированные основания.
- С матрицы, богатой GC, ничего не амплифицируется. Добавьте ДМСО или бетаин, поднимите температуру денатурации и используйте полимеразу для GC-богатых мишеней.
- Праймер с хорошим GC всё равно не работает. GC-состав ничего не говорит о том, где стоят G и C. Проверьте шпильки, самодимеры и больше трёх G или C в последних пяти основаниях.
- Последовательности РНК. G и C считаются так же, но помните, что U заменяет T, так что инструмент, ожидающий ДНК, может отбросить все U.