In molecular biology and genetics, GC-content (or guanine-cytosine content) is the percentage of nitrogenous bases in a DNA or RNA molecule that are either guanine (G) or cytosine (C). This measure indicates the proportion of G and C bases out of an implied four total bases, also including adenine and thymine in DNA and adenine and uracil in RNA.

GC-content may be given for a certain fragment of DNA or RNA or for an entire genome. When it refers to a fragment, it may denote the GC-content of an individual gene or section of a gene (domain), a group of genes or gene clusters, a non-coding region, or a synthetic oligonucleotide such as a primer.

Structure
Qualitatively, guanine (G) and cytosine (C) undergo a specific hydrogen bonding with each other, whereas adenine (A) bonds specifically with thymine (T) in DNA and with uracil (U) in RNA. Quantitatively, each GC base pair is held together by three hydrogen bonds, while AT and AU base pairs are held together by two hydrogen bonds. To emphasize this difference, the base pairings are often represented as "G≡C" versus "A=T" or "A=U".

DNA with low GC-content is less stable than DNA with high GC-content; however, the hydrogen bonds themselves do not have a particularly significant impact on molecular stability, which is instead caused mainly by molecular interactions of base stacking. In spite of the higher thermostability conferred to a nucleic acid with high GC-content, it has been observed that at least some species of bacteria with DNA of high GC-content undergo autolysis more readily, thereby reducing the longevity of the cell per se. Because of the thermostability of GC pairs, it was once presumed that high GC-content was a necessary adaptation to high temperatures, but this hypothesis was refuted in 2001. Even so, it has been shown that there is a strong correlation between the optimal growth of prokaryotes at higher temperatures and the GC-content of structural RNAs such as ribosomal RNA, transfer RNA, and many other non-coding RNAs. The AU base pairs are less stable than the GC base pairs, making high-GC-content RNA structures more resistant to the effects of high temperatures.

More recently, it has been demonstrated that the most important factor contributing to the thermal stability of double-stranded nucleic acids is actually due to the base stackings of adjacent bases rather than the number of hydrogen bonds between the bases. There is more favorable stacking energy for GC pairs than for AT or AU pairs because of the relative positions of exocyclic groups. Additionally, there is a correlation between the order in which the bases stack and the thermal stability of the molecule as a whole.

Determination

GC-content is usually expressed as a percentage value, but sometimes as a ratio (called G+C ratio or GC-ratio). GC-content percentage is calculated as

whereas the AT/GC ratio is calculated as  
 .

The GC-content percentages as well as GC-ratio can be measured by several means, but one of the simplest methods is to measure the melting temperature of the DNA double helix using spectrophotometry. The absorbance of DNA at a wavelength of 260 nm increases fairly sharply when the double-stranded DNA molecule separates into two single strands when sufficiently heated. The most commonly used protocol for determining GC-ratios uses flow cytometry for large numbers of samples.

In an alternative manner, if the DNA or RNA molecule under investigation has been reliably sequenced, then GC-content can be accurately calculated by simple arithmetic or by using a variety of publicly available software tools, such as the free online GC calculator.

Genomic content

Within-genome variation 
The GC-ratio within a genome is found to be markedly variable. These variations in GC-ratio within the genomes of more complex organisms result in a mosaic-like formation with islet regions called isochores. This results in the variations in staining intensity in chromosomes. GC-rich isochores typically include many protein-coding genes within them, and thus determination of GC-ratios of these specific regions contributes to mapping gene-rich regions of the genome.

Coding sequences 
Within a long region of genomic sequence, genes are often characterised by having a higher GC-content in contrast to the background GC-content for the entire genome. Evidence of GC ratio with that of length of the coding region of a gene has shown that the length of the coding sequence is directly proportional to higher G+C content. This has been pointed to the fact that the stop codon has a bias towards A and T nucleotides, and, thus, the shorter the sequence the higher the AT bias.

Comparison of more than 1,000 orthologous genes in mammals showed marked within-genome variations of the third-codon position GC content, with a range from less than 30% to more than 80%.

Among-genome variation  
GC content is found to be variable with different organisms, the process of which is envisaged to be contributed to by variation in selection, mutational bias, and biased recombination-associated DNA repair.

The average GC-content in human genomes ranges from 35% to 60% across 100-Kb fragments, with a mean of 41%. The GC-content of Yeast (Saccharomyces cerevisiae) is 38%, and that of another common model organism, thale cress (Arabidopsis thaliana), is 36%. Because of the nature of the genetic code, it is virtually impossible for an organism to have a genome with a GC-content approaching either 0% or 100%. However, a species with an extremely low GC-content is Plasmodium falciparum (GC% = ~20%), and it is usually common to refer to such examples as being AT-rich instead of GC-poor.

Several mammalian species (e.g., shrew, microbat, tenrec, rabbit) have independently undergone a marked increase in the GC-content of their genes. These GC-content changes are correlated with species life-history traits (e.g., body mass or longevity) and genome size,  and might be linked to a molecular phenomenon called the GC-biased gene conversion.

Applications

Molecular biology 
In polymerase chain reaction (PCR) experiments, the GC-content of short oligonucleotides known as primers is often used to predict their annealing temperature to the template DNA. A higher GC-content level indicates a relatively higher melting temperature.

Many sequencing technologies, such as Illumina sequencing, have trouble reading high-GC-content sequences. Bird genomes are known to have many such parts, causing the problem of "missing genes" expected to be present from evolution and phenotype but never sequenced — until improved methods were used.

Systematics  
The species problem in non-eukaryotic taxonomy has led to various suggestions in classifying bacteria, and the ad hoc committee on reconciliation of approaches to bacterial systematics of 1987 has recommended use of GC-ratios in higher-level hierarchical classification. For example, the Actinomycetota are characterised as "high GC-content bacteria". In Streptomyces coelicolor A3(2), GC-content is 72%. With the use of more reliable, modern methods of molecular systematics, the GC-content definition of Actinomycetota has been abolished and low-GC bacteria of this clade have been found.

Software tools
GCSpeciesSorter and TopSort are software tools for classifying species based on their GC-contents.

See also
 Codon usage bias

References

External links 
 Table with GC-content of all sequenced prokaryotes
 Taxonomic browser of bacteria based on GC ratio on NCBI website.
 GC ratio in diverse species.

DNA
Molecular biology
Biological classification
분자생물학 및 유전학에서 GC 함량(구아닌-사이토신 함량, GC-content)은 DNA 또는 RNA에서의 구아닌과 사이토신의 백분율이다. GC 함량은 DNA의 아데닌과 티민, RNA의 아데닌과 유라실을 포함하여 암시 된 4개의 전체 염기 중 구아닌과 사이토신의 비율을 나타낸다.

GC 함량은 DNA 또는 RNA의 특정 단편 또는 전체 게놈에 대해 주어진다. 이것이 단편을 지칭할 때, 이는 개별 유전자 또는 유전자의 도메인, 유전자군, 비암호화 영역, 프라이머와 같은 합성 올리고뉴클레오타이드의 GC 함량을 나타낸다.

구조 
정량적으로, 구아닌과 사이토신은 서로 특정한 수소 결합을 한다. 반면, 아데닌은 DNA에서 티민과, RNA에서 유라실과 특이적으로 결합한다. 각 GC 염기쌍은 3개의 수소 결합에 의해 함께 유지되고, AT 및 AU 염기쌍은 2개의 수소 결합에 의해 함께 유지된다. 이 차이를 강조하기 위해 수소 결합 쌍을  G≡C 대 A=T 또는 A=U로 표시한다.

GC 함량이 높을수록 DNA는 안정적이다. 그러나 수소 결합 자체는 분자 안정성에 유의미한 영향을 미치지 않으며, 이는 주로 염기 스태킹의 분자 상호 작용에 의해 야기된다. 높은 GC 함량을 갖는 핵산은 높은 내열성을 가졌음에도 불구하고, 세균에서의 일부 종에서는 높은 GC함량은 오토파지되어 세포의 수명을 감소하는 것으로 나타났다.

측정 
GC 함량은 일반적으로 백분율 값으로 표현되지만, GC 비율(GC ratio)로도 표시된다. GC 함량 백분율은 다음과 같이 계산한다.

 

A-T/G-C 비율은 다음과 같이 계산한다.

  .

GC 비율뿐만 아니라 GC 함량은 분광광도법을 사용하여 측정할 수 있다. DNA 이중 나선의 용융 온도를 측정함으로써 알 수 있다.  260nm의 파장에서 DNA의 흡광도는 이중 가닥이 단일 가닥으로 분리될 때 급격히 증가한다. GC 비율을 결정하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 프로토콜은 유세포 분석을 사용한다.

게놈 내용

게놈 내 변이 
게놈 내 GC 비율은 가변적인 것으로 밝혀졌다. 복잡한 유기체의 게놈 내에서 GC 비율의 변화는 isochores라는 작은 섬(islet) 영역을 갖는 모자이크와 같은 것을 형성한다. 이것은 염색체의 염색 강도의 변화를 초래한다. GC 풍부 isochores는 전형적으로 그 안에 많은 단백질 암호화 유전자를 포함한다. 따라서 이들 특정 영역의 GC 비율의 결정은 게놈의 유전자 풍부 영역을 맵핑하는데 기여한다.

암호화 서열 
게놈 서열의 긴 영역 내에서, 유전자는 종종 전체 게놈에 대한 배경 GC 함량과 대조적으로 더 높은 GC 함량을 갖는 것을 특징으로 한다. 유전자의 암호화 영역의 길이와 GC 비율간의 증거는 암호화 서열의 길이가 더 긴 GC 함량에 비례한다는 것을 보여주었다. 이는 종결 코돈이 아데닌과 티민에 대한 편향을 가지며, 서열이 짧을수록 AT 편향이 높다는 사실이 밝혀졌다.

포유 동물에서 1,000개 이상의 이종상 동성 유전자의 비교는 30% 미만 혹은 80% 이상의 범위로, 제 3 코돈 위치 GC 함량의 게놈 내 변이가 현저하게 나타났다.

게놈 간 변이 
GC 함량은 상이한 유기체에 따라 가변적인 것으로 밝혀졌으며,이 과정은 선택, 돌연변이 편향 및 편향된 재조합 관련 DNA 수선의 변화에 의해 기여되는 것으로 예상된다.

인간 게놈의 평균 GC 함량은 100Kb 단편에 걸쳐 35%~60%이며, 평균 41%이다. 효모(Saccharomyces cerevisiae)의 GC 함량은 38%이며, 애기장대의 GC 함량은 36%이다. 유전 부호의 특성으로 인해 유기체의 GC 함량이 0% 또는 100%에 가까운 게놈을 갖는 것은 사실상 불가능하다. 그러나 GC 함량이 매우 낮은 종은 Plasmodium falciparum이 존재하며(GC % = ~ 20 %)이며, 일반적으로 GC가 아니라 AT가 풍부한 것으로 언급한다.

응용

분자생물학 
중합효소 연쇄 반응(PCR)에서, 프라이머로 알려진 짧은 올리고뉴클레오티드의 GC 함량은 종종 주형 DNA에 대한 용융 온도(annealing temperature)를 예측하는 데 사용한다. GC 함량이 더 높으면, 용융 온도도 더 높다.

계통분류학 
비진핵 생물 분류법에서 종 문제(species problem)는 세균 분류에 대한 다양한 제안을 가져왔으며, '세균 체계의 접근 조정에 대한 임시위원회'는 상위 계층적 분류에서 GC 비율의 사용을 권장했다. 예를 들어, 방선균은 GC 함량이 높은 세균이다. 또한 Streptomyces coelicolor A3(2)에서의 GC 함량은 72%이다.

소프트웨어 도구 
GCSpeciesSorter 및 TopSort는 GC 함량에 따라 종을 분류하기 위한 소프트웨어 도구이다.

각주 

생물 분류
분자생물학
DNA