跳至內容

CpG位點

維基百科，自由的百科全書
  提示：此條目頁的主題不是CpG寡脫氧核苷酸。

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為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酶稱為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細胞和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

[編輯]
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

[編輯]
主條目：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

[編輯]
更多資訊：DNA甲基化

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寡脫氧核苷酸

[編輯]

CpG寡脫氧核苷酸（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

[編輯]
  • TLR9，一種用於探測未甲基化CpG序列的受體
  • 生物鐘

參考文獻

[編輯]
  1. ^ Jabbari, Kamel; Bernardi, Giorgio. Cytosine methylation and CpG, TpG (CpA) and TpA frequencies. Gene. 2004-05-26, 333 [2022-08-28]. ISSN 0378-1119. doi:10.1016/j.gene.2004.02.043. （原始內容存檔於2015-09-24） （英語）. 
  2. ^ Ramirez-Ortiz, Zaida G.; Specht, Charles A.; Wang, Jennifer P.; Lee, Chrono K.; Bartholomeu, Daniella C.; Gazzinelli, Ricardo T.; Levitz, Stuart M. Toll-Like Receptor 9-Dependent Immune Activation by Unmethylated CpG Motifs in Aspergillus fumigatus DNA. Infection and Immunity. 2008-05, 76 (5) [2022-08-28]. ISSN 0019-9567. PMC 2346696 可免費查閱. PMID 18332208. doi:10.1128/IAI.00047-08. （原始內容存檔於2022-08-28） （英語）. 
  3. ^ Scarano, E; Iaccarino, M; Grippo, P; Parisi, E. The heterogeneity of thymine methyl group origin in DNA pyrimidine isostichs of developing sea urchin embryos.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1967-05, 57 (5). ISSN 0027-8424. PMC 224485 可免費查閱. PMID 5231746. doi:10.1073/pnas.57.5.1394 （英語）. 
  4. ^ Gardiner-Garden, M.; Frommer, M. CpG Islands in vertebrate genomes. Journal of Molecular Biology. 1987-07-20, 196 (2) [2022-08-28]. ISSN 0022-2836. doi:10.1016/0022-2836(87)90689-9. （原始內容存檔於2019-03-26） （英語）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Saxonov, Serge; Berg, Paul; Brutlag, Douglas L. A genome-wide analysis of CpG dinucleotides in the human genome distinguishes two distinct classes of promoters. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006-01-31, 103 (5) [2022-08-28]. ISSN 0027-8424. PMC 1345710 可免費查閱. PMID 16432200. doi:10.1073/pnas.0510310103. （原始內容存檔於2022-08-28） （英語）. 
  6. ^ Zhang, Wei. Genetics: Analysis of Genes and Genomes, Sixth Edition. Neuro-Oncology. 2005-04-01, 7 (2). ISSN 1523-5866. PMC 1871880 可免費查閱. doi:10.1215/S1152851704200059 （英語）. 
  7. ^ Fatemi, M. Footprinting of mammalian promoters: use of a CpG DNA methyltransferase revealing nucleosome positions at a single molecule level. Nucleic Acids Research. 2005-11-27, 33 (20) [2022-08-28]. ISSN 0305-1048. PMC 1292996 可免費查閱. PMID 16314307. doi:10.1093/nar/gni180. （原始內容存檔於2022-03-27） （英語）. 
  8. ^ Takai, Daiya; Jones, Peter A. Comprehensive analysis of CpG islands in human chromosomes 21 and 22. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2002-03-19, 99 (6) [2022-08-28]. ISSN 0027-8424. PMC 122594 可免費查閱. PMID 11891299. doi:10.1073/pnas.052410099. （原始內容存檔於2022-08-28） （英語）. 
  9. ^ Feil, Robert; Berger, Frédéric. Convergent evolution of genomic imprinting in plants and mammals. Trends in Genetics. 2007-04-01, 23 (4) [2022-08-28]. ISSN 0168-9525. PMID 17316885. doi:10.1016/j.tig.2007.02.004. （原始內容存檔於2013-01-02） （英語）. 
  10. ^ Irizarry, Rafael A.; Ladd-Acosta, Christine; Wen, Bo; Wu, Zhijin; Montano, Carolina; Onyango, Patrick; Cui, Hengmi; Gabo, Kevin; Rongione, Michael; Webster, Maree; Ji, Hong. The human colon cancer methylome shows similar hypo- and hypermethylation at conserved tissue-specific CpG island shores. Nature Genetics. 2009-02, 41 (2) [2022-08-28]. ISSN 1546-1718. PMC 2729128 可免費查閱. PMID 19151715. doi:10.1038/ng.298. （原始內容存檔於2022-08-28） （英語）. 
  11. ^ Cohen, Netta Mendelson; Kenigsberg, Ephraim; Tanay, Amos. Primate CpG Islands Are Maintained by Heterogeneous Evolutionary Regimes Involving Minimal Selection. Cell. 2011-05-27, 145 (5). ISSN 0092-8674. PMID 21620139. doi:10.1016/j.cell.2011.04.024 （英語）. 
  12. ^ Jones, Peter A.; Laird, Peter W. Cancer-epigenetics comes of age. Nature Genetics. 1999-02, 21 (2) [2022-08-28]. ISSN 1546-1718. PMID 9988266. doi:10.1038/5947. （原始內容存檔於2022-08-28） （英語）. 
  13. ^ Roh, Jong Seong; Sohn, Dong Hyun. Damage-Associated Molecular Patterns in Inflammatory Diseases. Immune Network. 2018, 18 (4). ISSN 1598-2629. doi:10.4110/in.2018.18.e27. 
  14. ^ Konečná, B.; Lauková, L.; Vlková, B. Immune activation by nucleic acids: A role in pregnancy complications. Scandinavian Journal of Immunology. 2018-03-25, 87 (4). ISSN 0300-9475. doi:10.1111/sji.12651. 
  15. ^ Horvath, Steve. DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome Biology. 2013, 14 (10) [2022-08-28]. ISSN 1465-6906. PMC 4015143 可免費查閱. PMID 24138928. doi:10.1186/gb-2013-14-10-r115. （原始內容存檔於2022-09-01） （英語）. 
  16. ^ Bode, Christian; Poth, Jens M.; Fox, Mario; Schulz, Susanne; Klinman, Dennis M.; Latz, Eicke; Steinhagen, Folkert. Cytosolic <scp>d</scp> ‐type CpG‐oligonucleotides induce a type I interferon response by activating the cGAS‐STING signaling pathway. European Journal of Immunology. 2021-05-12, 51 (7). ISSN 0014-2980. doi:10.1002/eji.202048810. 
  17. ^ Seder, Robert A; Ahmed, Rafi. Similarities and differences in CD4+ and CD8+ effector and memory T cell generation. Nature Immunology. 2003-09, 4 (9). ISSN 1529-2908. doi:10.1038/ni969. 
  18. ^ Slotta, Jan E.; Scheuer, Claudia; Menger, Michael D.; Vollmar, Brigitte. Immunostimulatory CpG-oligodeoxynucleotides (CpG-ODN) induce early hepatic injury, but provide a late window for protection against endotoxin-mediated liver damage. Journal of Hepatology. 2006-03, 44 (3). ISSN 0168-8278. doi:10.1016/j.jhep.2005.08.014. 
  19. ^ de Jong, Susan D.; Basha, Genc; Wilson, Kaley D.; Kazem, Mikameh; Cullis, Pieter; Jefferies, Wilf; Tam, Ying. The Immunostimulatory Activity of Unmethylated and Methylated CpG Oligodeoxynucleotide Is Dependent on Their Ability To Colocalize with TLR9 in Late Endosomes. The Journal of Immunology. 2010-06-01, 184 (11). ISSN 0022-1767. doi:10.4049/jimmunol.0802442. 
  20. ^ Lim, Hye-Sun. Tectorigenin Attenuates Pro-inflammatory Mediators by Inhibiting NF-&[kappa]B Activation in Lipopolysaccharide-Stimulated BV-2 Microglia. dx.doi.org. 2016-11-01 [2023-07-03]. 
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=CpG位点&oldid=79791022」