CpG_site
CpGオリゴデオキシヌクレオチド
と混同しないでください CpG部位またはCG部位は、 5 ‘3’方向に沿った塩基の線形配列でシトシンヌクレオチドの後にグアニンヌクレオチドが続くDNAの領域です。CpG部位は、CpGアイランド（またはCGアイランド）と呼ばれるゲノム領域で高頻度に発生します。
CpG部位、
すなわち、ヌクレオチドの「5′-C-リン酸-G-3 ‘」配列は、1つのDNA鎖（黄色）に示されています。逆DNA鎖（青色）には、相補的な5’-CpG-3 ‘部位が示されています。2本のDNA鎖間のCGベースペアリングも示されています（右）
CpGジヌクレオチドのシトシンはメチル化されて5-メチルシトシンを形成します。メチル基を付加する酵素は、 DNAメチルトランスフェラーゼと呼ばれます。哺乳類では、CpGシトシンの70％から80％がメチル化されています。遺伝子内のシトシンをメチル化すると、その発現が変化する可能性がこれは、エピジェネティクスと呼ばれる遺伝子調節を研究する科学のより広い分野の一部であるメカニズムです。メチル化されたシトシンはしばしばチミンに変異します。
ヒトでは、遺伝子の転写開始部位の近くにあるプロモーター（近位プロモーター）の約70％にCpGアイランドが含まれています。
コンテンツ
1 CpGの特性
1.1 意味 1.2 高い突然変異率によって引き起こされる過小表示 1.3 ゲノム分布
2 CpGアイランド
3 メチル化、サイレンシング、癌、および老化
3.1 プロモーターのCpGアイランド 3.2 CpGアイランドのメチル化は、遺伝子を安定してサイレンシングします 3.3 癌におけるプロモーターCpGの高/低メチル化 3.43.4 癌における高/低メチル化プロモーターを持つDNA修復遺伝子 3.5 年齢に伴うCpG部位のメチル化 3.6 非メチル化サイト
4 メモリ内のCpGサイトの役割
4.1 CpG部位での脱メチル化にはROS活性が必要です
5 CPG損失
5.1 ゲノムサイズとCPG比は負の相関関係にあります
5.1.1 CPG喪失の促進剤としてのAlu要素
6 も参照してください
7 参考文献
CpGの特性編集
意味
CpGは、 5′-C-リン酸-G-3 ‘の省略形です。つまり、1つのリン酸基のみで分離されたシトシンとグアニンです。リン酸は、DNA内の任意の2つのヌクレオシドを結合します。CpG表記は、この一本鎖線形配列を、二本鎖配列のシトシンとグアニンのCG 塩基対と区別するために使用されます。したがって、CpG表記は、シトシンがグアニン塩基に対して5プライムであると解釈されます。CpGをGpCと混同しないで後者は、グアニンの後に一本鎖配列の5 ‘3’方向にシトシンが続くことを意味します。
高い突然変異率によって引き起こされる過小表示
CpGジヌクレオチドは、脊椎動物のゲノム配列において、偶然の偶然により予想されるよりもはるかに低い頻度で発生することが長い間観察されてきました。たとえば、 GC含量が42％のヒトゲノムでは、シトシンとそれに続くグアニンからなるヌクレオチドのペアが発生すると予想されます。 0.21 ××0.21 = 4.41 ％
{ 0.21 times 0.21 = 4.41 ％}
時間の。ヒトゲノムにおけるCpGジヌクレオチドの頻度は、予想される頻度の5分の1未満です。
この過小評価は、メチル化CpG部位の高い変異率の結果です。メチル化シトシンの自発的に発生する脱アミノ化はチミンをもたらし、結果として生じるG：Tミスマッチ塩基はしばしば不適切にA：Tに分解されます。一方、非メチル化シトシンの脱アミノ化はウラシルをもたらし、これは外来塩基として、塩基除去修復メカニズムによってシトシンに迅速に置き換えられます。メチル化されたCpG部位でのCからTへの移行率は、メチル化されていない部位よりも約10倍高くなっています。
ゲノム分布
CpGサイト GpCサイト
ヒトAPRT遺伝子におけるCpG部位（左：赤）とGpC部位（右：緑）の分布。CpGは、遺伝子の上流領域でより豊富に存在し、CpGアイランドを形成しますが、GpCはより均一に分布しています。APRT遺伝子の5つのエクソンが示され（青）、開始（ATG）および停止（TGA）コドンが強調されています（太字の青）。
CpGジヌクレオチドはCpGアイランドで頻繁に発生します（以下のCpGアイランドの定義を参照）。ヒトゲノムには28，890個のCpGアイランドがあります（反復配列にCpGアイランドが含まれている場合は50，267個）。これは、 Venterらによって発見された28，519個のCpGアイランドと一致しています。 Venter etal。ゲノム配列には、非常に類似した反復要素の内部とセントロメア近くの非常に密な反復領域は含まれていませんでした。 CpGアイランドには複数のCpGジヌクレオチド配列が含まれているため、ヒトゲノムには2，000万を超えるCpGジヌクレオチドが存在するようです。
CpGアイランド
CpG部位のメチル化とそれに続く自発的な脱アミノ化がメチル化されたDNAのCpG部位の欠如にどのようにつながるか。その結果、メチル化がまれな領域に残留CpGアイランドが作成され、CpG部位が付着します（またはCからTへの変異が非常に有害な領域）。
CpGアイランド（またはCGアイランド）は、CpGサイトの頻度が高い領域です。CpGアイランドの客観的な定義は限られていますが、通常の正式な定義は、少なくとも200 bp、GCパーセンテージが50％を超え、観測値と期待値のCpG比が60％を超える領域です。「観測値と期待値のCpG比」は、観測値が次のように計算される場合に導き出すことができます。（（ の数 C p G s ）。 {（{ text {number of}} CpGs）}
そして期待されるように（（ の数 C ∗
の数 G ）。 / シーケンスの長さ
{（{ text {number of}} C * { text {number of}} G）/ { text {length of sequence}}}
または（（ （（ の数 C +
の数 G ）。/ 2
）。2 /
シーケンスの長さ
{（（{ text {number of}} C + { text {number of}} G）/ 2）^ {2} / { text {length of sequence}}}
。
哺乳類ゲノムの多くの遺伝子には、遺伝子の開始に関連するCpGアイランドがあります（プロモーター領域）。このため、CpGアイランドの存在は、遺伝子の予測と注釈付けに役立ちます。
哺乳類のゲノムでは、CpGアイランドの長さは通常300〜3，000塩基対であり、哺乳類の遺伝子のプロモーターの約40％またはその近くで発見されています。ヒト遺伝子の60％以上とほとんどすべてのハウスキーピング遺伝子は、CpGアイランドにプロモーターが埋め込まれています。 GCの2ヌクレオチド配列の頻度を考えると、CpGジヌクレオチドの数は予想よりもはるかに少ないです。
2002年の研究では、CpGアイランド予測のルールが改訂され、 Aluリピートなどの他のGCリッチなゲノム配列が除外されました。ヒト21番染色体と22番染色体の完全な配列の広範な検索に基づいて、500 bpを超えるDNA領域は、GC含量がより大きい場合、遺伝子の5 ‘領域に関連する「真の」CpGアイランドである可能性が高いことがわかりました。 55％、および65％の観測値と期待値のCpG比。
CpGアイランドは、統計的に予想されるものの少なくとも60％（〜4–6％）のCpGジヌクレオチド含有量によって特徴付けられますが、残りのゲノムははるかに低いCpG頻度（〜1％）であり、CG抑制と呼ばれる現象です。 。遺伝子のコード領域のCpG部位とは異なり、ほとんどの場合、プロモーターのCpGアイランドのCpG部位は、遺伝子が発現している場合はメチル化されこの観察は、遺伝子のプロモーターのCpG部位のメチル化が遺伝子発現を阻害するかもしれないという推測につながりました。メチル化は、ヒストン修飾とともに、インプリンティングの中心です。組織間、または正常サンプルとがんサンプル間のメチル化の違いのほとんどは、島自体ではなく、CpGアイランド（「CpGアイランドショア」）から短い距離で発生します。
CpGアイランドは通常、脊椎動物の遺伝子、特にハウスキーピング遺伝子の転写開始部位またはその近くに発生します。 AC（シトシン）塩基の直後にG（グアニン）塩基（CpG）が続くのは、脊椎動物のDNAではまれです。このような配置のシトシンはメチル化される傾向があるためです。このメチル化は、新しく合成されたDNA鎖を親鎖から区別するのに役立ち、複製後のDNA校正の最終段階に役立ちます。ただし、時間の経過とともに、メチル化されたシトシンは、自発的な脱アミノ化のためにチミンに変わる傾向がヒトには、T / GミスマッチからのTを特異的に置き換える特別な酵素（チミン-DNAグリコシラーゼ、またはTDG）がしかし、CpGの希少性のために、ジヌクレオチドのおそらく急速な突然変異を防ぐのに十分に効果的ではないと理論づけられています。CpGアイランドの存在は、通常、比較的高いCpG含有量、またはそのゲノム領域での低レベルのメチル化に対する選択的な力の存在によって説明されます。これは、おそらく遺伝子発現の調節に関係しています。2011年の調査によると、ほとんどのCpGアイランドは非選択的な力の結果です。
メチル化、サイレンシング、癌、および老化
CpGアイランド形成の背後にある仮想的な進化メカニズムを示す画像。
DNAメチル化
プロモーターのCpGアイランド
ヒトでは、遺伝子の転写開始部位の近くにあるプロモーター（近位プロモーター）の約70％にCpGアイランドが含まれています。
遠位プロモーターエレメントには、CpGアイランドも含まれることがよく一例は、DNA修復遺伝子ERCC1であり、CpGアイランドを含む要素は、ERCC1遺伝子の転写開始部位の約5，400ヌクレオチド上流に位置しています。 CpGアイランドは、マイクロRNAなどの機能的な非コードRNAのプロモーターにも頻繁に発生します。
CpGアイランドのメチル化は、遺伝子を安定してサイレンシングします
ヒトでは、DNAメチル化はCpG部位内のシトシン残基のピリミジン環の5位で起こり、5-メチルシトシンを形成します。プロモーターのCpGアイランドに複数のメチル化CpG部位が存在すると、遺伝子の安定したサイレンシングが引き起こされます。遺伝子のサイレンシングは他のメカニズムによって開始される可能性がありますが、これに続いてプロモーターCpGアイランドのCpG部位がメチル化され、遺伝子の安定したサイレンシングが引き起こされることがよく
癌におけるプロモーターCpGの高/低メチル化
癌では、遺伝子発現の喪失は、突然変異よりもプロモーターCpGアイランドの高メチル化によって約10倍頻繁に発生します。たとえば、結腸直腸癌では、通常、約3〜6のドライバー変異と、 33〜66のヒッチハイカーまたはパッセンジャー変異が対照的に、隣接する正常に見える結腸粘膜と比較した結腸腫瘍の1つの研究では、1，734個のCpGアイランドが腫瘍で高度にメチル化されていたのに対し、これらのCpGアイランドは隣接する粘膜でメチル化されていませんでした。 CpGアイランドの半分は注釈付きタンパク質コーディング遺伝子のプロモーターにあり、結腸腫瘍の約867個の遺伝子がCpGアイランドのメチル化により発現を失ったことを示唆している。別の研究では、6つの結腸癌（隣接する粘膜と比較して）のゲノムに平均1，549の異なるメチル化領域（高メチル化または低メチル化）が見つかり、そのうち629は遺伝子の既知のプロモーター領域にありました。 3番目の研究では、結腸がんと隣接する粘膜との間で2，000を超える遺伝子が特異的にメチル化されていることがわかった。遺伝子セット濃縮分析を使用すると、938個の遺伝子セットのうち569個が高メチル化され、369個が癌で低メチル化されました。プロモーターのCpGアイランドの低メチル化は、影響を受ける遺伝子または遺伝子セットの過剰発現をもたらします。
2012年のある研究は、結腸癌に関連する高メチル化プロモーターを持つ147の特定の遺伝子と、これらの高メチル化が結腸癌で発見された頻度をリストしました。それらの遺伝子の少なくとも10は、結腸癌のほぼ100％で高メチル化プロモーターを持っていました。彼らはまた、そのプロモーターが結腸癌において癌の50％から100％の間の頻度で高メチル化された11個のマイクロRNAを示した。マイクロRNA（miRNA）は、メッセンジャーRNAの配列と対になって転写後抑制を指示する小さな内因性RNAです。平均して、各マイクロRNAは数百の標的遺伝子を抑制します。したがって、高メチル化プロモーターを有するマイクロRNAは、癌における数百から数千の遺伝子の過剰発現を可能にしている可能性が
上記の情報は、癌において、遺伝子およびマイクロRNAのプロモーターCpGの高/低メチル化が、突然変異よりもはるかに多くの遺伝子の発現の喪失（または時には発現の増加）を引き起こすことを示しています。
癌における高/低メチル化プロモーターを持つDNA修復遺伝子
DNA修復遺伝子は、プロモーター内のCpGアイランドの高メチル化により、癌で頻繁に抑制されます。頭頸部扁平上皮癌では、少なくとも15のDNA修復遺伝子が頻繁に高メチル化プロモーターを持っています。これらの遺伝子は、XRCC1、MLH3、PMS1、RAD51B、XRCC3、RAD54B、BRCA1、SHFM1、GEN1、FANCE、FAAP20、SPRTN、SETMAR、HUS1、およびPER1です。約17種類のがんは、プロモーターの過剰メチル化により、1つまたは複数のDNA修復遺伝子が欠損していることが多い。例として、DNA修復遺伝子MGMTのプロモーターの過剰メチル化は、膀胱がんの93％、胃がんの88％、甲状腺がんの74％、結腸直腸がんの40％-90％、および脳がんの50％で発生します。LIG4のプロモーターの過剰メチル化は結腸直腸癌の82％で発生します。NEIL1のプロモーターの過剰メチル化は、頭頸部がんの62％および非小細胞肺がんの42％で発生します。ATMのプロモーターの過剰メチル化は、非小細胞肺がんの47％で発生します。MLH1のプロモーターの過剰メチル化は、非小細胞肺がん扁平上皮がんの48％で発生します。FANCBのプロモーターの過剰メチル化は、頭頸部がんの46％で発生します。
一方、PARP1とFEN1の2つの遺伝子のプロモーターは低メチル化されており、これらの遺伝子は多くの癌で過剰発現していました。PARP1とFEN1は、エラーが発生しやすく変異原性のあるDNA修復経路のマイクロホモロジー媒介末端結合における必須遺伝子です。この経路が過剰発現している場合、それが引き起こす過剰な突然変異は癌につながる可能性がPARP1は、チロシンキナーゼ活性化白血病、神経芽細胞腫、精巣およびその他の胚細胞腫瘍、、ユーイング肉腫 で過剰発現しており、 FEN1は大部分の癌で過剰発現しています。乳房、前立腺、胃、 神経芽細胞腫、膵臓、および肺。
DNA損傷が癌の主な根本原因であるように思われます。 正確なDNA修復が不十分な場合、DNA損傷が蓄積する傾向がこのような過剰なDNA損傷は、エラーが発生しやすいトランス病変合成により、 DNA複製中の変異エラーを増加させる可能性が過剰なDNA損傷は、DNA修復中のエラーによるエピジェネティックな変化を増加させる可能性も このような突然変異および後成的変化は、がんを引き起こす可能性があります（悪性新生物を参照）。したがって、DNA修復遺伝子のプロモーターにおけるCpGアイランドの高/低メチル化は、癌への進行の中心である可能性が
年齢に伴うCpG部位のメチル化
年齢は数万のCpG部位のDNAメチル化レベルに強い影響を与えるため、人間とチンパンジーの非常に正確な生物学的時計（エピジェネティック時計またはDNAメチル化年齢と呼ばれる）を定義できます。
非メチル化サイト
非メチル化CpGジヌクレオチド部位は、形質細胞様樹状細胞、単球、ナチュラルキラー（NK）細胞、およびヒトのB細胞上のトール様受容体9（ TLR 9）によって検出できます。これは、細胞内ウイルス感染を検出するために使用されます。
メモリ内のCpGサイトの役割
哺乳動物では、DNAメチルトランスフェラーゼ（ DNA塩基にメチル基を付加する）は、CpG部位内のシトシンの配列優先性を示します。マウスの脳では、すべてのシトシンの4.2％がメチル化されており、主にCpG部位との関連で、5mCpGを形成しています。ほとんどの高メチル化5mCpG部位は関連遺伝子の抑制を増加させます。
Duke et al。がレビューしたように、ニューロンのDNAメチル化（特定の遺伝子の発現を抑制する）は、ニューロンの活動によって変化します。シナプス可塑性にはニューロンのDNAメチル化が必要です。経験によって変更されます。記憶の形成と維持には、活発なDNAメチル化と脱メチル化が必要です。
2016年にHalderetal。マウスを使用し、2017年にDuke etal。ラットを使用して、齧歯動物を文脈的恐怖条件付けにさらし、特に強い長期記憶を形成させた。コンディショニングの24時間後、ラットの海馬脳領域では、1，048個の遺伝子の発現がダウンレギュレートされ（通常、遺伝子プロモーターの5mCpGに関連）、564個の遺伝子の発現がアップレギュレートされました（多くの場合、CpGの低メチル化に関連します）。遺伝子プロモーターの部位）。トレーニングの24時間後、海馬ニューロンのラットゲノムの遺伝子の9.2％が特異的にメチル化されました。しかし、海馬は新しい情報を学ぶために不可欠ですが、それ自体は情報を保存しHalderのマウス実験では、文脈的恐怖条件付けの1時間後に海馬で1，206の異なるメチル化遺伝子が見られましたが、これらの変化したメチル化は逆転し、4週間後には見られませんでした。海馬に長期的なCpGメチル化の変化がないのとは対照的に、記憶の維持中に皮質ニューロンで実質的なCpGメチル化の差異が検出される可能性が文脈的恐怖条件付けの4週間後、マウスの前帯状皮質に1，223個の異なるメチル化遺伝子がありました。
CpG部位での脱メチル化にはROS活性が必要です
CpG部位で
のDNA脱メチル化の開始 成体体細胞では、DNAメチル化は通常、CpGジヌクレオチド（CpG部位）のコンテキストで発生し、 5-メチルシトシン-pGまたは5mCpGを形成します。活性酸素種（ROS）は、ジヌクレオチド部位でグアニンを攻撃し、8-ヒドロキシ-2′-デオキシグアノシン（8-OHdG）を形成し、5mCp-8-OHdGジヌクレオチド部位をもたらす可能性が塩基除去修復酵素OGG1は8-OHdGを標的とし、すぐに切除することなく病変に結合します。5mCp-8-OHdGサイトに存在するOGG1はTET1を動員し、TET1は8-OHdGに隣接する5mCを酸化します。これにより、5mCの脱メチル化が開始されます。
ニューロンDNAにおける
5-メチルシトシン（5mC）の脱メチル化 2018年にレビューされたように、脳のニューロンでは、5mCはジオキシゲナーゼの10-11転座（TET）ファミリー（TET1、TET2、TET3 ）によって酸化され、 5-ヒドロキシメチルシトシン（5hmC ）を生成します。連続するステップで、TET酵素はさらに5hmCをヒドロキシル化して、5-ホルミルシトシン（5fC）と5-カルボキシルシトシン（5caC）を生成します。チミン-DNAグリコシラーゼ（TDG）は、中間塩基5fCおよび5caCを認識し、グリコシド結合を切除して、アピリミジン部位（AP部位）を生成します。別の酸化的脱アミノ化経路では、活性化誘導シチジンデアミナーゼ/アポリポタンパク質B mRNA編集複合体（AID / APOBEC）デアミナーゼによって5hmCを酸化的脱アミノ化して、5-ヒドロキシメチルウラシル（5hmU）を形成するか、5mCをチミン（Thy）に変換できます。5hmUは、TDG、一本鎖選択的単官能性ウラシル-DNAグリコシラーゼ1（SMUG1）、Nei-Like DNAグリコシラーゼ1（ NEIL1）、またはメチル-CpG結合タンパク質4（MBD4）によって切断されます。次に、AP部位とT：Gミスマッチは、塩基除去修復（BER）酵素によって修復され、シトシン（Cyt）が生成されます。
2つのレビュー は、記憶形成におけるROSの重要かつ本質的な役割に関する多数の証拠を要約しています。記憶形成中の何千ものCpG部位のDNA脱メチル化は、ROSによる開始に依存します。2016年、Zhou et al。、は、ROSがDNAの脱メチル化において中心的な役割を果たしていることを示しました。
TET1は、5mCpGの脱メチル化に関与する重要な酵素です。ただし、TET1は、ROSが最初にグアニンに作用して8-ヒドロキシ-2′-デオキシグアノシン（8-OHdG）を形成し、5mCp-8-OHdGジヌクレオチドを生成した場合にのみ5mCpGに作用できます（この図の最初の図を参照）セクション）。 5mCp-8-OHdGの形成後、塩基除去修復酵素OGG1は、即時切除なしで8-OHdG病変に結合します。このセクションの最初の図に示すように、OGG1が5mCp-8-OHdGサイトに付着すると、TET1が動員され、TET1が8-OHdGに隣接する5mCを酸化できるようになります。これにより、このセクションの2番目の図に示されている脱メチル化経路が開始されます。
ニューロンDNA内の遺伝子プロモーターのCpG部位のROS依存性脱メチル化によって制御されるニューロンのタンパク質発現の変化は、記憶形成の中心です。
CPG損失
CPGの枯渇は、トランスポゾン（TE）のDNAメチル化の過程で観察されており、TEはゲノムの拡大だけでなく、宿主DNAのCpGの喪失にも関与しています。TEは、「メチル化センター」として知られています。これにより、メチル化プロセスであるTEは、ホストDNA内で隣接するDNAに拡散します。この広がりは、その後、進化の過程でCPGの損失をもたらす可能性が古い進化の時代は、若い進化の時代と比較して、隣接するDNAのCpG損失が高いことを示しています。したがって、DNAメチル化は、最終的に隣接するDNAのCpG部位の顕著な喪失につながる可能性が
ゲノムサイズとCPG比は負の相関関係にあります
CpGメチル化は、ゲノムの拡大に寄与し、その結果、CpGの枯渇に寄与します。この写真は、TEがなく、メチル化されていないCpG部位を持つゲノムを示しており、TEの挿入と転位により、TEのメチル化とサイレンシングが起こります。CpGメチル化のプロセスを通じて、CpGの減少が見られます。
以前の研究では、無脊椎動物と脊椎動物が人間と比較して小さいゲノムと大きいゲノムを持っている、さまざまなゲノムサイズの量の種が確認されています。ゲノムサイズは、転移因子の数と強く関係しています。ただし、TEのメチル化の数とCPGの量の間には相関関係がその結果、この負の相関は、主にTEのメチル化に起因する遺伝子間DNAメチル化によるCPGの枯渇を引き起こします。全体として、これは、さまざまなゲノム種で顕著な量のCPG損失に寄与します。
CPG喪失の促進剤としてのAlu要素
Alu要素は最も豊富な種類の転移因子として知られています。いくつかの研究では、どの因子がゲノム拡張の原因であるかを研究する方法としてAlu要素を使用しています。Alu要素は、LINEやERVとは異なり、より長いシーケンスでCPGが豊富です。Alusはメチル化センターとして機能することができ、ホストDNAへの挿入は、DNAメチル化を生成し、隣接DNA領域への拡散を引き起こす可能性がこの広がりが、かなりの量のCPG損失と、ゲノム拡大のかなりの増加がある理由です。しかしながら、これは時間の経過とともに分析された結果である。なぜなら、古いAlus要素は、若いものと比較して、隣接するDNAの部位でより多くのCPG損失を示すからである。
も参照してください
TLR9、非メチル化CpG部位の検出器
DNAメチル化年齢
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