CpG位点

✍ dations ◷ 2025-06-08 10:00:40 #分子遗传学,DNA

CpG位点(英语:CpG sites,或称为CG位点)是指DNA的某个区域,其上的碱基序列以胞嘧啶接着鸟嘌呤出现。“CpG”是“—C—磷酸—G—”的缩写 ,指磷酸二酯键连接了胞嘧啶和鸟嘌呤,其中C位于5'端而G位于3'端。

在CpG位点中的胞嘧啶可以被甲基化为5-甲基胞嘧啶。在哺乳动物中,基因内CpG位点的甲基化会改变此基因的表达,对这一表达调控的研究是表观遗传学的重要组成部分。涉及添加甲基基团的酶称为DNA甲基转移酶(英语:DNA methyltransferase)。

在哺乳动物中,70%到80%的CpG位点的胞嘧啶是甲基化的。

未甲基化的CpG位点可以被免疫系统的浆细胞样树突状细胞、单核细胞、NK细胞和B细胞上的TLR9(Toll样受体9)识别,来检测体内的微生物感染。

一个被发现已久的现象:相对于正常的随机概率期望,CpG位点在脊椎动物基因组中出现的概率非常低。以人类基因组为例(GC含量约为42%),CpG位点的出现概率应为0.21*0.21 = 4.41%;而人类基因组中CpG的实际含量约为1% -- 这尚未达到随机概率的四分之一。根据E Scarano等的论文,这一现象发生的原因是脊椎动物基因组中CpG的胞嘧啶被甲基化为5-甲基胞嘧啶后再发生脱氨作用变成胸腺嘧啶,从而形成了从C到T的突变,致使CpG位点的出现概率降低。这种现象被称为CG抑制(英语:CG suppression)(CG suppression)。

CpG岛是一个富含CpG位点的区域,但客观精确描述所谓“富含”的定义尚不明确。通常对于CpG岛的正式定义为:一个长度至少为200bp的片段,其GC含量高于50%,且“观察期望比”(observed-to-expexted)高于60%。

注:观察期望比:即CpG位点的观察值(片段实际含有的CpG位点数目)和“期待值”的比值。“期待值”通常有两种算法:(C*G)/LS或((C+G)/2)^2/LS。其中,C、G代表胞嘧啶和鸟嘌呤的数目;LS代表片段长度(length of sequence)。

很多哺乳动物基因组中的CpG岛和基因的起始位点相联系。因此,CpG岛的存在对于基因的预测和解释具有帮助作用。

在哺乳动物基因组中,CpG岛的序列长度通常为300-3000bp,在约40%的基因的启动子附近都有发现。在人基因组中则有约70%的基因启动子有高CpG含量。如前文提及,CpG位点的实际存在率比随机概率的结果要低得多。

2002年的某研究阐述了CpG岛的预测规则,使用这种规则可以排除一些高GC含量的基因组序列,如Alu重复序列。基于对人21和22号染色体的完全测序研究成果,长度大于500bp、GC含量高于55%、CpG位点“观察期望比”高于65%的DNA序列更有可能是“真正的”CpG岛。

CpG岛以至少达到60%的理论CpG位点含量(可达到4-6%)为特征,而基因组中平均CpG含量只有约1%(CG抑制)。和在基因编码区中的CpG位点不同,在基因正常表达时,位于基因启动子区中的CpG位点往往不会被甲基化;这种现象表明启动子序列中的CpG位点的甲基化很可能导致基因表达被抑制。DNA甲基化和组蛋白修饰是基因铭印的核心过程。大多数组织间或正常样本和癌症样本间的甲基化差异发生在CpG岛附近(CpG island shores)而非CpG岛内部。

在脊椎动物中,CpG岛往往位于基因转录起始位点附近,尤其是持家基因。CpG位点有被甲基化的倾向,借助这种甲基化可以分辨新合成的DNA链和母链,这在DNA序列复制后的最终校对环节起重要作用。甲基化的胞嘧啶容易脱氨转变成胸腺嘧啶,导致T/G错误配对。胸腺嘧啶DNA糖苷酶(英语:Thymine-DNA glycosylase)(TDG)是人类用于修复TG错配的酶。但由于CpG位点的稀少性,TDG在理论上没有足够高的效率来消除这些快速发生的突变。通常认为CpG岛存在的原因是因受如下选择压力导致的:需要相对更高的CpG含量、更低的甲基化水平或是调控基因需要。最近也有研究称大多数的CpG岛是由非选择压力形成的。

对位于基因启动子内部CpG位点的甲基化可能导致该基因沉默(英语:Gene silencing),这种现象在部分人类肿瘤中表现为抑癌基因的沉默。与之对应的,CpG位点的去甲基化则和某些肿瘤的原癌基因过表达相关。

基于衰老和上万个CpG位点的甲基化重要联系,学者已能根据DNA的甲基化情况对人类和黑猩猩的细胞组织寿命进行精确的预测。

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