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Contenido GC

Enlaces de nucleótidos que muestran pares AT y GC. Las flechas señalan los enlaces de hidrógeno . En biología molecular y genética , el contenido de GC (o contenido de G+C o con...

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Enlaces de nucleótidos que muestran pares AT y GC. Las flechas señalan los enlaces de hidrógeno .

En biología molecular y genética , el contenido de GC (o contenido de G+C o contenido de guanina-citosina ) es el porcentaje de bases nitrogenadas en una molécula de ADN o ARN que son guanina (G) o citosina (C). [ 1 ] Esta medida indica la proporción de bases G y C de un total implícito de cuatro bases, que también incluyen adenina y timina en el ADN y adenina y uracilo en el ARN.

El contenido de GC puede indicarse para un fragmento específico de ADN o ARN, o para un genoma completo . Cuando se refiere a un fragmento, puede indicar el contenido de GC de un gen individual o una sección de un gen (dominio), un grupo de genes o clústeres de genes, una región no codificante o un oligonucleótido sintético, como un cebador .

Estructura

Cualitativamente, la guanina (G) y la citosina (C) se unen mediante enlaces de hidrógeno específicos , mientras que la adenina (A) se une específicamente con la timina (T) en el ADN y con el uracilo (U) en el ARN. Cuantitativamente, cada par de bases GC se mantiene unido por tres enlaces de hidrógeno, mientras que los pares de bases AT y AU se mantienen unidos por dos enlaces de hidrógeno. Para enfatizar esta diferencia, los apareamientos de bases se suelen representar como "G≡C" frente a "A=T" o "A=U".

El ADN con bajo contenido de GC es menos estable que el ADN con alto contenido de GC; sin embargo, los enlaces de hidrógeno en sí mismos no tienen un impacto particularmente significativo en la estabilidad molecular, que en cambio es causada principalmente por las interacciones moleculares de apilamiento de bases. [ 2 ] Debido a la termoestabilidad de los pares GC, alguna vez se supuso que un alto contenido de GC en el ADN era una adaptación necesaria a altas temperaturas, aunque esta hipótesis fue refutada más tarde en 2001 por un análisis comparativo de más de 100 procariotas. [ 3 ] Además, se ha observado que P. putrefaciens , una especie de bacteria con ADN de alto contenido de GC, sufre autólisis más fácilmente, reduciendo así la longevidad general de la célula. [ 4 ] Aun así, se ha demostrado que hay una fuerte correlación entre el crecimiento óptimo de procariotas a temperaturas más altas y el contenido de GC de los ARN estructurales, como el ARN ribosómico , el ARN de transferencia y muchos otros ARN no codificantes . [ 3 ] [ 5 ] Los pares de bases AU son menos estables que los pares de bases GC, lo que hace que las estructuras de ARN con alto contenido de GC sean más resistentes a los efectos de las altas temperaturas.

Más recientemente, se ha demostrado que el factor más importante que contribuye a la estabilidad térmica de los ácidos nucleicos de doble cadena se debe en realidad al apilamiento de bases adyacentes, más que al número de enlaces de hidrógeno entre las bases. Existe una energía de apilamiento más favorable para los pares GC que para los pares AT o AU debido a las posiciones relativas de los grupos exocíclicos. Además, existe una correlación entre el orden en que se apilan las bases y la estabilidad térmica de la molécula en su conjunto. [ 6 ]

Determinación

Cariograma esquemático de un ser humano, que muestra una visión general del genoma humano en bandas G (que incluyen tinción de Giemsa ), donde las regiones ricas en GC son más claras y las regiones pobres en GC son más oscuras.

El contenido de GC se suele expresar como un valor porcentual, pero a veces como una proporción (denominada proporción G+C o proporción GC ). El porcentaje de contenido de GC se calcula como [ 7 ].

GRAMO+doA+T+GRAMO+do×100%{\displaystyle {\cfrac {G+C}{A+T+G+C}}\times 100\%}

mientras que la relación AT/GC se calcula como [ 8 ]

A+TGRAMO+do{\displaystyle {\cfrac {A+T}{G+C}}}.

Los porcentajes de contenido de GC, así como la relación GC, pueden medirse mediante diversos métodos, pero uno de los más sencillos consiste en medir la temperatura de fusión de la doble hélice del ADN mediante espectrofotometría . La absorbancia del ADN a una longitud de onda de 260 nm aumenta considerablemente cuando la molécula de ADN de doble cadena se separa en dos cadenas simples al calentarse lo suficiente. [ 9 ] El protocolo más utilizado para determinar las relaciones GC emplea citometría de flujo para un gran número de muestras. [ 10 ]

De forma alternativa, si la molécula de ADN o ARN bajo investigación ha sido secuenciada de manera confiable , entonces el contenido de GC se puede calcular con precisión mediante aritmética simple o utilizando una variedad de herramientas de software disponibles públicamente, como la calculadora de GC en línea gratuita Archivada el 26 de febrero de 2015 en Wayback Machine .

Contenido genómico

Variación dentro del genoma

Se ha observado que la proporción de GC dentro de un genoma es marcadamente variable. Estas variaciones en la proporción de GC dentro de los genomas de organismos más complejos dan lugar a una formación similar a un mosaico con regiones de islotes llamadas isocoras . [ 11 ] Esto produce variaciones en la intensidad de tinción en los cromosomas . [ 12 ] Las isocoras ricas en GC suelen incluir muchos genes codificadores de proteínas, por lo que la determinación de las proporciones de GC de estas regiones específicas contribuye a la cartografía de las regiones ricas en genes del genoma. [ 13 ] [ 14 ]

Secuencias codificantes

Dentro de una región larga de secuencia genómica, los genes suelen caracterizarse por tener un contenido de GC más elevado en comparación con el contenido de GC de fondo de todo el genoma. [ 15 ] Existe evidencia de que la longitud de la región codificante de un gen es directamente proporcional a un mayor contenido de G+C. [ 16 ] Esto se ha señalado como consecuencia de que el codón de parada tiene una tendencia hacia los nucleótidos A y T, y, por lo tanto, cuanto más corta sea la secuencia, mayor será la tendencia hacia AT. [ 17 ]

La comparación de más de 1000 genes ortólogos en mamíferos mostró variaciones marcadas dentro del genoma en el contenido de GC de la tercera posición del codón , con un rango de menos del 30 % a más del 80 %. [ 18 ]

variación entre genomas

Se ha observado que el contenido de GC varía entre diferentes organismos, proceso al que se atribuye la variación en la selección , el sesgo mutacional y la reparación del ADN asociada a la recombinación sesgada . [ 19 ]

El contenido promedio de GC en los genomas humanos varía del 35% al ​​60% en fragmentos de 100 Kb, con una media del 41%. [ 20 ] El contenido de GC de la levadura ( Saccharomyces cerevisiae ) es del 38%, [ 21 ] y el de otro organismo modelo común , el berro de Thale ( Arabidopsis thaliana ), es del 36%. [ 22 ] Debido a la naturaleza del código genético , es prácticamente imposible que un organismo tenga un genoma con un contenido de GC cercano al 0% o al 100%. Sin embargo, una especie con un contenido de GC extremadamente bajo es Plasmodium falciparum (GC% = ~20%), [ 23 ] y es común referirse a estos ejemplos como ricos en AT en lugar de pobres en GC. [ 24 ]

Varias especies de mamíferos (por ejemplo, musaraña , murciélago , tenrec , conejo ) han experimentado de forma independiente un marcado aumento en el contenido de GC de sus genes. Estos cambios en el contenido de GC se correlacionan con rasgos de la historia de vida de las especies (por ejemplo, masa corporal o longevidad) y el tamaño del genoma [ 18 ] , y podrían estar vinculados a un proceso molecular llamado conversión génica sesgada por GC [ 25 ] .

Aplicaciones

Biología molecular

En los experimentos de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), el contenido de GC de los oligonucleótidos cortos, conocidos como cebadores, se utiliza a menudo para predecir su temperatura de hibridación con el ADN molde. Un mayor contenido de GC indica una temperatura de fusión relativamente más alta.

Muchas tecnologías de secuenciación, como la secuenciación Illumina , tienen problemas para leer secuencias con alto contenido de GC. Se sabe que los genomas de las aves tienen muchas partes de este tipo, lo que causa el problema de los "genes faltantes" que se espera que estén presentes por evolución y fenotipo, pero que nunca se secuenciaron, hasta que se utilizaron métodos mejorados. [ 26 ]

Sistemática

El problema de las especies en la taxonomía no eucariota ha dado lugar a varias sugerencias para clasificar las bacterias, y el comité ad hoc sobre la reconciliación de enfoques para la sistemática bacteriana de 1987 recomendó el uso de proporciones de GC en la clasificación jerárquica de nivel superior. [ 27 ] Por ejemplo, los Actinomycetota se caracterizan como " bacterias con alto contenido de GC ". [ 28 ] En Streptomyces coelicolor A3(2), el contenido de GC es del 72%. [ 29 ] Con el uso de métodos más fiables y modernos de sistemática molecular, la definición de Actinomycetota basada en el contenido de GC se ha abolido y se han encontrado bacterias de este clado con bajo contenido de GC . [ 30 ]

Herramientas de software

GCSpeciesSorter [ 31 ] y TopSort [ 32 ] son ​​herramientas de software para clasificar especies en función de su contenido de GC.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Definición de GC – contenido en CancerWeb de la Universidad de Newcastle , Reino Unido
  2. ↑ Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006). "Contribuciones del apilamiento y apareamiento de bases a la estabilidad térmica de la doble hélice del ADN" . Nucleic Acids Res . 34 (2): 564–74 . doi : 10.1093/nar/gkj454 . PMC 1360284. PMID 16449200 .  
  3. 1 2 Hurst LD, Merchant AR (marzo de 2001). "El alto contenido de guanina-citosina no es una adaptación a la alta temperatura: un análisis comparativo entre procariotas" . Proc . Biol. Sci . 268 (1466): 493–7 . doi : 10.1098/rspb.2000.1397 . PMC 1088632. PMID 11296861 .  
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  6. ↑ Yakovchuk, Peter; Protozanova, Ekaterina; Frank-Kamenetskii, Maxim D. (2006). "Contribuciones del apilamiento y apareamiento de bases a la estabilidad térmica de la doble hélice del ADN" . Nucleic Acids Research . 34 (2): 564– 574. doi : 10.1093/nar/gkj454 . ISSN 0305-1048 . PMC 1360284. PMID 16449200 .   
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