GC-Gehalt
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Der GC-Gehalt ist ein Merkmal von DNA-Molekülen und gibt den Anteil der DNA-Basen Guanin und Cytosin an der Gesamtheit der Basen (Guanin, Cytosin, Adenin und Thymin) in Prozent an.
- Es gilt: GC-Gehalt = (G+C)/(G+C+A+T) · 100%
- Einem GC-Gehalt von beispielsweise 64% entspricht somit ein AT-Gehalt von 36%.
Der Anteil der Basenpaare GC und AT ist im Genom der Organismen nicht gleich verteilt. Er variiert sowohl zwischen verschiedenen Arten als auch zwischen verschiedenen Abschnitten eines Genoms.
Die jeweils komplementären Basen A-T und G-C sind im doppelsträngigen DNA-Molekül über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden. Die Adenin-Thymin-Paare bilden stets zwei Wasserstoffbrücken aus, Guanin-Cytosin-Paare drei. Durch Erhitzen der DNA werden die Wasserstoffbrücken gelöst, so dass sich die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix voneinander trennen (Denaturierung). Je höher der Anteil der Guanin-Cytosin-Paare ist, desto mehr Wasserstoffbrücken müssen gelöst werden und desto höher ist die Energie, die für die Denaturierung des Doppelstranges aufgebracht werden muss. GC-reiche DNA-Abschnitte sind deshalb thermodynamisch stabiler als AT-reiche.
Der GC-Gehalt im Genom wird als taxonomisches Merkmal zur Einteilung der Organismen, besonders von Bakterien verwendet. Die Werte reichen hier von ca. 20% bis fast 80%. Bakterien mit hohem GC-Gehalt findet man vor allem unter den Actinobacteria, aber auch Deltaproteobakterien wie Myxobakterien sind GC-reich. Besonders thermophile Organismen weisen erhöhte GC-Gehalte auf, was sicher auf die höhere Stabilität der G-C-Basenpaarung zurückzuführen ist. Weshalb dies aber nicht für alle thermophilen Organismen gilt und weshalb auch Mesophile zuweilen GC-reiche Genome besitzen, ist noch nicht völlig geklärt.
AT-reiche (und daher GC-arme) Regionen findet man in der DNA häufig an den Stellen, an denen die Doppelhelix leicht auflösbar sein muss, zum Beispiel an den Punkten, an denen die Replikation des DNA-Moleküls beginnt. Auch in menschlichen Chromosomen existieren Regionen mit GC-Gehalten, die deutlich von 50% abweichen. Diese sind meist in die Aufrechterhaltung der räumlichen Struktur der Chromosomen einbezogen.
Statistisch betrachtet ist der GC-Gehalt in DNA-Abschnitten, die für ein Gen codieren höher, als in anderen Regionen (Introns, regulatorische Sequenzen). Entsprechend unterscheidet sich der GC-Gehalt verschiedener Genomabschnitte. Bei dem GC-reichen Bakterium Myxococcus xanthus beispielsweise schwankt er zwischen 36 und über 80 mol%. Diese Eigenschaft nutzt man aus, um in sequenzierten Genomen mit Hilfe von Computerprogrammen (z.B. GLIMMER) nach den eigentlichen Genen zu suchen. Stößt man beim Studium eines Organismus auf funktionelle Gene, deren GC-gehalt deutlich von dem der übrigen Gene abweicht, wird dies häufig als Hinweis darauf gewertet, dass diese Gene erst kürzlich durch horizontalen Gentransfer erworben wurden oder von einem Retrovirus stammen.
Der GC-Gehalt unbekannter DNA-Moleküle kann experimentell mit verschiedenen Methoden bestimmt werden. Der einfachste Weg ist, die Schmelztemperatur der DNA-Doppelhelix mit Hilfe eines Spektometers zu messen. DNA absorbiert Licht einer Wellenlänge von 260 nm. Denaturiert der Doppeltrang beim Erhitzen in zwei Einzelstränge, erhöht sich die Absorption deutlich (Hyperchromizität). Je höher der GC-Gehalt, desto höher die Temperatur, bei der dieser Effekt auftritt.
Ist die Sequenz des DNA-Moleküles hingegen bekannt, kann der GC-Gehalt einfach mit der oben gezeigten Formel berechnet werden.
GC-Gehalte einiger Modellorganismen:
| Art | Phylogenetische Gruppe | GC-Gehalt |
|---|---|---|
| Streptomyces coelicolor Myxococcus xanthus Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe) Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) Plasmodium falciparum (Malariaerreger) |
Actinobacterium Deltaproteobakterium Ascomycet (Pilz) Blütenpflanze Protozoon |
72% 70% 38% 36% ~20% |
Aufgrund der Struktur des genetischen Codes ist es für einen Organismus praktisch unmöglich, sein Genom ausschließlich aus zwei Basen (G-C oder A-T) aufzubauen und damit einen GC-Gehalt von 100% oder 0% zu erreichen. Die Anzahl möglicher Codons reicht nicht aus, um alle Aminosäuren in einem Zwei-Basen-Code zu verschlüsseln.
