神秘的细菌基因组：GC skew
科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律和结论。from 达尔文
原文链接：神秘的细菌基因组：GC skew每当我们拼接出一个完整的细菌基因组时，总是迫不及待地画出它的图谱，一个常见的细菌基因组图谱如下所示：
最外圈为正负链上的编码区及结构RNA基因，其内为基因组不同区域GC含量的变化，最内圈就是GC skew。其中绿色为skew+，紫色为skew-，这时候我们看到GC skew具有很明显的规律性。
GC skew也即GC歪斜或GC偏倚，用来衡量在单链DNA中碱基G和C相对含量的不同。双链DNA其G的含量一定等于C的含量，然而G和C在每条单链的含量不一定相同，在每条单链中G与C含量的偏移就叫GC skew。其具体的计算方法为(nG–nC)/(nG+nC)，因此GC skew+就表示G的含量大于C，GC skew-表示G的含量小于C。
在大多数细菌基因组中，DNA复制中的前导链（leading strand）和对应的滞后链（lagging strand）在碱基组成上存在着很明显的不同，表现出碱基组成上的不对称性（compositional asymmetry）。前导链富含G和T，而滞后链中的A和C更多一些，打破A=T和C=G的碱基概率期望而发生偏移，而且通常GC偏移比AT偏移发生的更明显，所以习惯上更多地只考虑GC偏移。因此从复制起点延伸的前导链中是GC skew+，而在滞后链中为GC skew-，所以GC skew值是前导链起点、终点以及转变成滞后链的信号，这使得GC skew分析成为在环状DNA中标记复制起点的一个有用工具。
环状DNA分子的复制一般是单起点双向进行的（也叫θ型复制），也即在复制起点启动解旋后，两套复合体分别向两个不同的方向同时进行复制，但是分别以不同的链作为前导链。因此在复制起点处两条DNA链分别向左右两边呈现由GC skew-到GC skew+的明显变化，而在环状DNA的复制起点的对称处，也即双向复制的汇合处，也会有GC skew+到GC skew-的变化，使得细菌基因组单链呈现较明显的一半GC skew+而另一半GC skew-的现象。
造成复制起始区前导链G、T较丰富的原因并不是非常清楚，但有几个理论可以讨论。第一个是由于在DNA复制时双链解旋而成单链状态，但前导链与滞后链维持单链的时间不同，使得两条链因暴露环境中而可能产生突变的机率也有所不同。而一但突变产生，则必须使用错配修复（mismatch repair，MMR）机制，而在错配修复中产生G-T错配比A-C错配有较大的概率，使得错配修复的单链DNA会有较多的G以及T存在[1]。
另一个理论则是碱基C的水解去胺（hydrolytic deamination）作用，胞嘧啶C可以脱去氨基变成U，在双链中碱基C被保护而不发生水解，但在单链DNA上水解概率大大提高[2]。在DNA复制过程中，前导链保持单链的时间较长，因此其碱基C容易变成U，若未被修正，长久下来则使得前导链DNA上的G及T含量相对增加。还有就是信号序列(signal sequence)的分布，例如chi序列（chi sequence）。Chi序列是一个重组过程当中需要的序列，其为GT相当丰富的序列，并且常可以在前导链中发现其踪迹[3]。
参考文献：
[1] Eppinger M, Baar C, Raddatz G, et al. Comparative analysis of four Campylobacterales[J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(11): 872.
[2] Guo F B, Yu X J. Separate base usages of genes located on the leading and lagging strands in Chlamydia muridarum revealed bythe Z curve method[J]. Bmc Genomics, 2007, 8(1): 366.
[3] Tillier E R M, Collins R A. The Contributions of Replication Orientation, Gene Direction, and Signal Sequences to Base-Composition Asymmetries in Bacterial Genomes[J]. Journal of Molecular Evolution, 2000, 50(3): 249-257.
作者：SYSU星空
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来源：简书
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