انحراف GC

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة
تحديد أصل ونهاية تضاعف الحمض النووي على مخطط انحراف GC ومخطط انحراف GC التراكمي.
غنى G على T في السلسلة الرائدة، مما يؤدي إلى إشارة انحراف GC عند الأصل والنهاية.

يُعرف انحراف GC بزيادة أو نقص وفرة النيوكليوتيدات غوانين وسيتوزين في منطقة معينة من الحمض النووي DNA أو RNA . كما يُعد انحراف GC طريقة إحصائية لقياس زيادة تمثيل الغوانين في سلسلة محددة. [ 1 ]

في ظروف التوازن (بدون ضغوط طفرية أو انتقائية ، ومع توزيع النيوكليوتيدات عشوائيًا داخل الجينوم )، يكون تردد قواعد الحمض النووي الأربعة ( الأدينين ، والجوانين ، والثايمين ، والسيتوزين ) متساويًا على كلا سلسلتي جزيء الحمض النووي. [ 2 ] مع ذلك، في معظم البكتيريا (مثل الإشريكية القولونية ) وبعض العتائق (مثل سلفولوبوس سولفاتاريكوس )، يكون تركيب النيوكليوتيدات غير متماثل بين السلسلة الرائدة والسلسلة المتأخرة : تحتوي السلسلة الرائدة على كمية أكبر من الجوانين (G) والثايمين (T)، بينما تحتوي السلسلة المتأخرة على كمية أكبر من الأدينين (A) والسيتوزين (C). [ 2 ] تُعرف هذه الظاهرة باسم انحراف GC و AT ، وقد تم تعريف الإحصائيات المقابلة لها [ 2 ] على النحو التالي:

انحراف GC = (G - C)/(G + C)

الانحراف AT = (A − T)/(A + T)

التركيب النيوكليوتيدي غير المتماثل

أظهرت دراسة إروين تشارغاف عام 1950 أن قاعدتي الغوانين والسيتوزين في الحمض النووي (DNA) موجودتان بوفرة متساوية، وكذلك قاعدتا الأدينين والثايمين. مع ذلك، لم تكن هناك مساواة في كمية كل زوج من القواعد. [ 3 ] تُعرف هذه النتيجة باسم قاعدة تشارغاف أو قاعدة التكافؤ . [ 3 ] بعد ثلاث سنوات، استخدم واتسون وكريك هذه الحقيقة في اشتقاقهما لبنية الحمض النووي، نموذج الحلزون المزدوج .

نتيجة طبيعية لقاعدة التكافؤ الأولى، في حالة التوازن حيث لا توجد طفرات أو تحيزات انتقائية في أي من سلسلتي الحمض النووي، هي أنه عند تساوي معدل الاستبدال، تحتوي النيوكليوتيدات المكملة على كل سلسلة على كميات متساوية من قاعدة معينة ومكملتها. [ 4 ] بعبارة أخرى، في كل سلسلة من الحمض النووي، يكون تردد حدوث الثايمين (T) مساويًا لتردد حدوث الأدينين (A)، وتردد حدوث الجوانين (G) مساويًا لتردد حدوث السيتوزين (C)، لأن معدل الاستبدال متساوٍ على الأرجح. تُعرف هذه الظاهرة بقاعدة التكافؤ الثانية . وبالتالي، لا توجد قاعدة التكافؤ الثانية إلا في حالة عدم وجود طفرات أو استبدال.

أي انحراف عن قاعدة التكافؤ رقم 2 سيؤدي إلى تركيب قاعدي غير متماثل يميز بين السلسلة الرائدة - أي سلسلة الحمض النووي التي تتضاعف في الاتجاه الأمامي - والسلسلة المتأخرة. يُشار إلى هذا التباين باسم انحراف GC أو AT. [ 2 ]

في بعض الجينومات البكتيرية، يوجد إثراء للجوانين على السيتوزين والثايمين على الأدينين في السلسلة الرائدة، والعكس صحيح في السلسلة المتأخرة. تتراوح أطياف انحراف تركيب النيوكليوتيدات من -1، الذي يُقابل G = 0 أو A = 0، إلى +1، الذي يُقابل T = 0 أو C = 0. [ 2 ] لذلك، يُمثل انحراف GC الموجب غنى الجوانين على السيتوزين، بينما يُمثل انحراف GC السالب غنى السيتوزين على الجوانين. ونتيجةً لذلك، يُتوقع رؤية انحراف GC موجب وانحراف AT سالب في السلسلة الرائدة، وانحراف GC سالب وانحراف AT موجب في السلسلة المتأخرة. [ 5 ] يتغير انحراف GC أو AT عند حدود منطقتي التضاعف ، والتي تُقابل منشأ أو نهاية تضاعف الحمض النووي. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] في الأصل، فُسِّر هذا التركيب النيوكليوتيدي غير المتماثل على أنه آلية مختلفة تُستخدم في تضاعف الحمض النووي بين السلسلة الرائدة والسلسلة المتأخرة. يُعد تضاعف الحمض النووي عملية شبه محافظة وغير متماثلة في حد ذاتها. [ 6 ] يعود هذا التباين إلى تكوين شوكة التضاعف وانقسامها إلى سلسلتين ناشئتين، رائدة ومتأخرة. تُصنَّع السلسلة الرائدة باستمرار، بينما تُضاعف السلسلة المتأخرة عبر أجزاء قصيرة من عديد النيوكليوتيدات ( قطع أوكازاكي ) في اتجاه 5' إلى 3'. [ 6 ]

الحسابات ومخططات الانحراف في كروماتوغرافيا الغاز

هناك ثلاثة مناهج رئيسية لحساب وتوضيح انحراف GC وخصائصه بيانياً.

عدم تناظر GC

النهج الأول هو عدم تناظر GC وAT. [ 2 ] كان جان ر. لوبري أول من أبلغ، في عام 1996، [ 7 ] عن وجود عدم تناظر في التركيب الجيني لثلاث بكتيريا: الإشريكية القولونية ، والعصوية الرقيقة ، والمستدمية النزلية . لم تُسمى الصيغ الأصلية في ذلك الوقت انحرافًا، بل انحرافًا عن [A] = [T] أو [C] = [G].

الانحراف عن [A] = [T] كـ (A − T)/(A + T)؛

الانحراف عن [C] = [G] كـ (C − G)/(C + G)؛

حيث تمثل A وT وG وC تكرار القاعدة المتكافئة في تسلسل معين بطول محدد. تُستخدم استراتيجية تحريك النافذة لحساب الانحراف عن C عبر الجينوم. في هذه المخططات، يشير الانحراف الموجب عن C إلى السلسلة المتأخرة، بينما يشير الانحراف السالب عن C إلى السلسلة المتقدمة. [ 8 ] علاوة على ذلك، يتوافق الموقع الذي تتغير فيه إشارة الانحراف مع نقطة البداية أو النهاية. يمثل المحور السيني مواقع الكروموسومات المرسومة من 5 ′ إلى 3 ′ ، بينما يمثل المحور الصادي قيمة الانحراف. يتمثل الضعف الرئيسي لهذه الطريقة في اعتمادها على حجم النافذة. لذلك، يؤثر اختيار حجم نافذة مناسب بشكل كبير على نتيجة المخطط. ينبغي دمج تقنيات أخرى مع الانحراف لتحديد موقع بداية تضاعف الحمض النووي بدقة أكبر.

انحراف CGC

الانحراف التراكمي لـ CG و AT لـ 49 كروموسومًا بكتيريًا

يُشار إلى النهج الثاني باسم انحراف GC التراكمي (انحراف CGC). [ 9 ] لا تزال هذه الطريقة تستخدم استراتيجية النافذة المنزلقة، ولكنها تستفيد من مجموع النوافذ المتجاورة بدءًا من نقطة بداية عشوائية. في هذا المخطط، يُرسم الجينوم بأكمله عادةً من الطرف 5' إلى الطرف 3' باستخدام نقطة بداية عشوائية وسلسلة عشوائية. في مخطط انحراف GC التراكمي، تتوافق القمم مع نقاط التحول (النهاية أو الأصل).

على عكس ورقة لوبري السابقة، فإن التطبيقات الحديثة لـ GC skew تقلب التعريف الأصلي، وتعيد تعريفه على النحو التالي:

انحراف GC = (G − C)/(G + C).

مع التعريف المعكوس لانحراف GC، فإن القيمة القصوى للانحراف التراكمي تتوافق مع الطرفية، والقيمة الدنيا تتوافق مع أصل التكرار.

منحنى Z

الأسلوب الأخير هو منحنى Z. [ 10 ] على عكس الطرق السابقة، لا يستخدم هذا الأسلوب استراتيجية النافذة المنزلقة، ويُعتقد أنه أكثر فعالية في تحديد أصل التضاعف. [ 10 ] في هذا الأسلوب، يتم فحص التردد التراكمي لكل قاعدة بالنسبة للقاعدة في بداية التسلسل. يستخدم منحنى Z تمثيلًا ثلاثي الأبعاد بالمعايير التالية:

xن=(أن+جين)-(جن+تين){\displaystyle x_{n}=(A_{n}+G_{n})-(C_{n}+T_{n})}

yن=(أن+جن)-(جين+تين){\displaystyle y_{n}=(A_{n}+C_{n})-(G_{n}+T_{n})}

zن=(أن+تين)-(جن+جين){\displaystyle z_{n}=(A_{n}+T_{n})-(C_{n}+G_{n})}

أينن=0،1،2،...شمال{\displaystyle n=0,1,2,...N}،xن{\displaystyle x_{n}}يمثل فائض البيورين على البيريميدين ،yن{\displaystyle y_{n}}يشير إلى زيادة نسبة الكيتو على نسبة الأحماض الأمينية، وzن{\displaystyle z_{n}}يوضح العلاقة بين الروابط الهيدروجينية الضعيفة والقوية .x{\displaystyle x}وy{\displaystyle y}تستطيع المكونات وحدها تحديد منشأ التضاعف والتركيب غير المتماثل للسلاسل. لذا، ينبغي استخدام مزيج من هذه الطرق للتنبؤ بمنشأ التضاعف ونهايته، وذلك لتعويض قصورها.

الآلية

يوجد اختلاف في الآراء بين الأوساط العلمية فيما يتعلق بالآلية الكامنة وراء التحيز في تركيب النيوكليوتيدات داخل كل سلسلة من الحمض النووي. وهناك مدرستان فكريتان رئيسيتان تشرحان الآلية الكامنة وراء تركيب النيوكليوتيدات الخاص بكل سلسلة في البكتيريا. [ 4 ]

يصف النوع الأول تحيزًا وضغطًا طفريًا غير متماثل على كل شريط من شريطي الحمض النووي أثناء التضاعف والنسخ . [ 4 ] [ 11 ] نظرًا لطبيعة عملية التضاعف غير المتماثلة، فإن عدم تساوي معدل الطفرات وكفاءة إصلاح الحمض النووي أثناء عملية التضاعف قد يؤدي إلى حدوث طفرات أكثر في أحد الشريطين مقارنةً بالآخر. [ 5 ] علاوة على ذلك، يختلف الوقت المستغرق للتضاعف بين الشريطين، مما قد يؤدي إلى ضغط طفري غير متماثل بين الشريط الرائد والشريط المتأخر. [ 12 ] بالإضافة إلى الطفرات التي تحدث أثناء تضاعف الحمض النووي، يمكن أن تُحدث الطفرات النسخية انحرافًا في تركيب النيوكليوتيدات خاصًا بكل شريط. [ 5 ] يمكن أن يؤدي نزع الأمين من السيتوزين، وفي النهاية تحول السيتوزين إلى ثايمين في أحد شريطي الحمض النووي، إلى زيادة النسبة النسبية للجوانين والثايمين إلى السيتوزين والأدينين. [ 5 ] في معظم البكتيريا، يتم ترميز غالبية الجينات في الشريط الرائد. [ 4 ] على سبيل المثال، يشفر الشريط الرائد في بكتيريا Bacillus subtilis 75% من الجينات. [ 5 ] بالإضافة إلى ذلك، تم الإبلاغ عن زيادة في نزع الأمين وتحويل السيتوزين إلى ثايمين في الشريط المشفر مقارنةً بالشريط غير المشفر. [ 4 ] [ 5 ] [ 13 ] أحد التفسيرات المحتملة هو أن الشريط غير المنسوخ ( الشريط المشفر ) يكون أحادي الشريط أثناء عملية النسخ؛ لذلك، فهو أكثر عرضة لنزع الأمين مقارنةً بالشريط المنسوخ ( الشريط غير المشفر ). ​​[ 5 ] [ 14 ] تفسير آخر هو أن نشاط إصلاح نزع الأمين أثناء النسخ لا يحدث على الشريط المشفر. [ 5 ] الشريط المنسوخ فقط هو الذي يستفيد من أحداث إصلاح نزع الأمين هذه.

يصف الرأي الثاني آلية انحراف GC وAT بأنها ناتجة عن اختلاف في الضغط الانتقائي بين السلسلة الرائدة والسلسلة المتأخرة. [ 4 ] [ 5 ] [ 14 ] يُظهر فحص الجينوم بدائيات النوى تفضيلًا للجوانين على السيتوزين (G) والثايمين (T) على الأدينين (A) في الموضع الثالث من الكودون. [ 5 ] يُنشئ هذا التمييز تركيبًا نيوكليوتيديًا غير متماثل، إذا كانت السلسلة المشفرة موزعة بشكل غير متساوٍ بين السلسلتين الرائدة والمتأخرة، كما هو الحال في البكتيريا. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن الجينات عالية النسخ، مثل البروتينات الريبوزومية ، تقع في الغالب على السلسلة الرائدة في البكتيريا. [ 5 ] لذلك، يمكن أن يؤدي التحيز في اختيار الكودون الثالث للجوانين على السيتوزين إلى انحراف GC. علاوة على ذلك، فإن بعض تسلسلات الإشارة غنية بالجوانين والثايمين، مثل تسلسلات χ ، وقد يكون لهذه التسلسلات تردد أعلى في إحدى السلسلتين مقارنة بالأخرى. [ 4 ] [ 5 ]

يمكن لكل من الطفرات والضغط الانتقائي أن يُحدثا عدم تناظر في سلاسل الحمض النووي بشكل مستقل. ومع ذلك، فإن الجمع بين هاتين الآليتين وتأثيرهما التراكمي هو التفسير الأكثر ترجيحًا لانحراف GC وAT. [ 4 ] [ 14 ]

الاستخدامات

أثبت انحراف GC فائدته كمؤشر على السلسلة الرائدة، والسلسلة المتأخرة، ومنشأ التضاعف، ونهاية التضاعف في الحمض النووي. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] تحتوي معظم البكتيريا والعتائق على منشأ تضاعف واحد فقط للحمض النووي. [ 2 ] يكون انحراف GC موجبًا في السلسلة الرائدة وسالبًا في السلسلة المتأخرة؛ لذلك، من المتوقع ملاحظة تغير في إشارة انحراف GC عند نقطة منشأ ونهاية تضاعف الحمض النووي. [ 4 ] يمكن أيضًا استخدام انحراف GC لدراسة انحيازات السلسلة والآلية المرتبطة بها عن طريق حساب الزيادة في أحد القواعد على قاعدته المكملة في بيئات مختلفة. [ 4 ] [ 5 ] [ 14 ] تُعد طرق مثل انحراف GC، وانحراف CGC، ومنحنى Z أدوات تُتيح فرصةً لدراسة آلية تضاعف الحمض النووي في الكائنات الحية المختلفة بشكل أفضل.

مراجع

  1. ↑ كينيدي، شون ب.؛ نغ، وايلاب فيكتور؛ سالزبيرغ، ستيفن ل.؛ هود، ليروي؛ داس سارما، شيلاديتيا (1 أكتوبر 2001). "فهم تكيف بكتيريا هالوباكتيريوم من النوع NRC-1 مع بيئتها القاسية من خلال التحليل الحاسوبي لتسلسل جينومها" . أبحاث الجينوم . 11 (10): 1641-1650 . doi : 10.1101/gr.190201 . ISSN 1088-9051 . PMC 311145. PMID 11591641 .   
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 لوبري، جيه آر. أنماط الاستبدال غير المتماثل في سلسلتي الحمض النووي للبكتيريا. البيولوجيا الجزيئية والتطور 13، 660-665 (1996).
  3. 1 2 Chargaff, E. Chemical specificity of nucleic acids and mechanism of their enzymatic disease. Experientia 6, 201-209 (1950).
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Necsulea, A. & Lobry, JR طريقة جديدة لتقييم تأثير التضاعف على عدم تناظر تركيب قواعد الحمض النووي. علم الأحياء الجزيئي والتطور 24، 2169-2179، doi:10.1093/molbev/msm148 (2007).
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 تيلير، إي آر وكولينز، آر إيه . مساهمات اتجاه التضاعف، واتجاه الجينات، وتسلسلات الإشارة في عدم تناسق تركيب القواعد في الجينومات البكتيرية. مجلة التطور الجزيئي 50، 249-257 (2000).
  6. 1 2 روشا، إي بي. تنظيم الجينومات البكتيرية المتعلقة بالتضاعف. علم الأحياء الدقيقة 150، 1609-1627، doi:10.1099/mic.0.26974-0 (2004).
  7. ↑ لوبري، جيه آر (مايو 1996). "أنماط الاستبدال غير المتماثل في سلسلتي الحمض النووي للبكتيريا" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 13 (5): 660-665 . doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a025626 . ISSN 0737-4038 . PMID 8676740 .  
  8. ↑ ""شرح مقال لوبري 1996"تمت أرشفة هذا النص من المصدر الأصلي بتاريخ 17 نوفمبر 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 نوفمبر 2015 .
  9. ↑ غريغورييف، أ. تحليل الجينومات باستخدام مخططات الانحراف التراكمي. أبحاث الأحماض النووية 26، 2286-2290 (1998).
  10. 1 2 Zhang, R. & Zhang, CT أصول التضاعف المتعددة لأنواع البكتيريا القديمة Halobacterium NRC-1. اتصالات البحوث البيوكيميائية والبيوفيزيائية 302، 728-734 (2003).
  11. ↑ لوبري، جيه آر وسويوكا، إن. ضغوط الطفرات الاتجاهية غير المتماثلة في البكتيريا. علم الأحياء الجينومي 3، RESEARCH0058 (2002).
  12. ↑ إيبينجر، م.، بار، س.، راداتز، ج.، هوسون، د.هـ. وشوستر، س.س. التحليل المقارن لأربعة أنواع من بكتيريا كامبيلوباكتيراليس. مراجعات الطبيعة. علم الأحياء الدقيقة 2، 872-885، doi:10.1038/nrmicro1024 (2004).
  13. ↑ مارين، أ. وشيا، إكس. انحراف نسبة GC في الجينات المشفرة للبروتين بين السلاسل الرائدة والمتأخرة في الجينومات البكتيرية: نماذج استبدال جديدة تتضمن انحياز السلسلة. مجلة البيولوجيا النظرية 253، 508-513، doi:10.1016/j.jtbi.2008.04.004 (2008).
  14. 1 2 3 4 Charneski CA, Honti F., Bryant JM, Hurst LD, Feil EJ انحراف AT غير نمطي في جينومات Firmicute ناتج عن الانتقاء وليس عن الطفرة. PLoS Genetics 7(9):e1002283 (2011).
  • Mewes, HW et al. MIPS: تحليل وتعليق البروتينات من الجينومات الكاملة في عام 2005. Nucleic Acids Res 34, D169-172, doi:10.1093/nar/gkj148 (2006).