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CpG位點

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CpG位點(英語:CpG sites,或稱為CG位點)是指DNA的某個區域,其上的鹼基序列以胞嘧啶接着鳥嘌呤出現。「CpG」是「—C—磷酸—G—」的縮寫 ,指磷酸二酯鍵連接了胞嘧啶和鳥嘌呤,其中C位於5'端而G位於3'端。

在CpG位點中的胞嘧啶可以被甲基化5-甲基胞嘧啶。在哺乳動物中,基因內CpG位點的甲基化會改變此基因的表達,對這一表達調控的研究是表觀遺傳學的重要組成部分。涉及添加甲基基團的稱為DNA甲基轉移酶英語DNA methyltransferase

在哺乳動物中,70%到80%的CpG位點的胞嘧啶是甲基化的。[1]

未甲基化的CpG位點可以被免疫系統的漿細胞樣樹突狀細胞單核細胞NK細胞B細胞上的TLR9(Toll樣受體9)識別[2],來檢測體內的微生物感染。

不要混淆CpG位點(左)和C:G配對(右)

在脊椎動物基因組中的出現頻率

CpG位點的胞嘧啶被甲基化再脫氨變成胸腺嘧啶的過程

一個被發現已久的現象:相對於正常的隨機概率期望,CpG位點在脊椎動物基因組中出現的概率非常低。以人類基因組為例(GC含量約為42%),CpG位點的出現概率應為0.21*0.21 = 4.41%;而人類基因組中CpG的實際含量約為1% -- 這尚未達到隨機概率的四分之一。根據E Scarano等的論文[3],這一現象發生的原因是脊椎動物基因組中CpG的胞嘧啶被甲基化為5-甲基胞嘧啶後再發生脫氨作用變成胸腺嘧啶,從而形成了從C到T的突變,致使CpG位點的出現概率降低。這種現象被稱為CG抑制(CG suppression)。

CpG島

CpG島是一個富含CpG位點的區域,但客觀精確描述所謂「富含」的定義尚不明確。通常對於CpG島的正式定義為:一個長度至少為200bp的片段,其GC含量高於50%,且「觀察期望比」(observed-to-expexted)高於60%。

註:觀察期望比:即CpG位點的觀察值(片段實際含有的CpG位點數目)和「期待值」的比值。「期待值」通常有兩種算法:(C*G)/LS[4]或((C+G)/2)^2/LS[5]。其中,C、G代表胞嘧啶和鳥嘌呤的數目;LS代表片段長度(length of sequence)。

很多哺乳動物基因組中的CpG島和基因的起始位點相聯繫[6]。因此,CpG島的存在對於基因的預測和解釋具有幫助作用。

在哺乳動物基因組中,CpG島的序列長度通常為300-3000bp,在約40%的基因的啟動子附近都有發現[7]。在人基因組中則有約70%的基因啟動子有高CpG含量。如前文提及,CpG位點的實際存在率比隨機概率的結果要低得多[5]

2002年的某研究闡述了CpG島的預測規則,使用這種規則可以排除一些高GC含量的基因組序列,如Alu重複序列。基於對人21和22號染色體的完全測序研究成果,長度大於500bp、GC含量高於55%、CpG位點「觀察期望比」高於65%的DNA序列更有可能是「真正的」CpG島[8]

CpG島以至少達到60%的理論CpG位點含量(可達到4-6%)為特徵,而基因組中平均CpG含量只有約1%(CG抑制)。和在基因編碼區中的CpG位點不同,在基因正常表達時,位於基因啟動子區中的CpG位點往往不會被甲基化;這種現象表明啟動子序列中的CpG位點的甲基化很可能導致基因表達被抑制。DNA甲基化和組蛋白修飾是基因銘印的核心過程[9]。大多數組織間或正常樣本和癌症樣本間的甲基化差異發生在CpG島附近(CpG island shores)而非CpG島內部[10]

一種CpG島形成的假說圖解:通過未被甲基化,從而在漫長的進化史上保留下來

在脊椎動物中,CpG島往往位於基因轉錄起始位點附近,尤其是持家基因。CpG位點有被甲基化的傾向,藉助這種甲基化可以分辨新合成的DNA鏈和母鏈,這在DNA序列複製後的最終校對環節起重要作用。甲基化的胞嘧啶容易脫氨轉變成胸腺嘧啶,導致T/G錯誤配對。胸腺嘧啶DNA糖苷酶英語Thymine-DNA glycosylase(TDG)是人類用於修復TG錯配的酶。但由於CpG位點的稀少性,TDG在理論上沒有足夠高的效率來消除這些快速發生的突變。通常認為CpG島存在的原因是因受如下選擇壓力導致的:需要相對更高的CpG含量、更低的甲基化水平或是調控基因需要。最近也有研究稱大多數的CpG島是由非選擇壓力形成的[11]

甲基化、基因沉默、癌症與老化

對位於基因啟動子內部CpG位點的甲基化可能導致該基因沉默,這種現象在部分人類腫瘤中表現為抑癌基因的沉默。與之對應的,CpG位點的去甲基化則和某些腫瘤的原癌基因過表達相關[12]。甲基化CpG可能激活B細胞、增加抗體、抑制淋巴細胞凋亡、表達促炎細胞因子及TH1型細胞因子,導致全身性免疫疾病產生,或導致SLE、類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis)等疾病[13]。妊娠過程中CpG濃度過度升高可能導致妊娠毒血症(preeclampsia)、胎兒早產或畸形等問題[14]

基於衰老和上萬個CpG位點的甲基化重要聯繫,學者已能根據DNA的甲基化情況對人類和黑猩猩的細胞組織壽命進行精確的預測[15]

CpG寡去氧核苷酸

CpG寡去氧核苷酸(CpG oligodeoxynucleotide,CpG ODN)是人工合成的CpG類似物,具有臨床應用價值。CpG ODN自身通過修飾硫代磷酸酯以抗核酸酶降解,提高穩定性,其免疫 刺激功能廣泛應用於各種疾病,而其不同類型決定了不同刺激方式,A型CpG(CpG-A)傾向以雙鏈聚集形式存在,主要激活STING通路,留存於人類pDC細胞早期內體,刺激IFN-α形成;B型CpG(CpG-B)傾向以單鏈形式存在,激活TLR9通路,從早期內體迅速轉移到晚期內體,強烈刺激促炎細胞因子產生;C型CpG(CpG-C)則兼具前兩者免疫刺激效果[16]

CpG ODN作為抗原可刺激CD4+及CD8+ T細胞啟動增殖分化程序產生免疫反應,因此通過CpG遞送的免疫刺激療法應時而生,CpG佐劑也得到廣泛研究[17]。CpG ODN預先刺激可誘導交叉耐受性(cross tolerance),使機體應對LPS感染時產生更強免疫作用[18]

細胞內炎症信號通路涉及TLR9及NF-κB激活,游離CpG ODN皆可攝取進入內體,但甲基化CpG ODN因未能定位內體TLR9而缺乏免疫活性,無法激活下游通路,因此CpG-B作為炎症治療靶點具有潛在價值[19]。實驗及臨床中,不同CpG-B序列在齧齒類與靈長類動物TLR9中特異性也不同:對小鼠而言,其CpG-B特異性序列為5'GACGTT3',常用CpG1826(5'TCCATCACGTTCCTGACGTT3')序列;而人類TLR9激活核心序列為5'GTCGTT3',在臨床治療及人類細胞相關實驗中最常用的序列為CpG2006(5'TCGTCGTTTTGTCGTTTTGTCGTT3')[20]

參見

  • TLR9,一種用於探測未甲基化CpG序列的受體
  • 生物鐘

參考文獻

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