CpG位点

CpG位点（英語：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脫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（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%的基因的啟動子附近都有发现。在人基因组中则有约70%的基因啟動子有高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，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。甲基化CpG可能激活B细胞、增加抗体、抑制淋巴细胞凋亡、表达促炎细胞因子及TH1型细胞因子，导致全身性免疫疾病产生，或导致SLE、类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis）等疾病。妊娠过程中CpG浓度过度升高可能导致妊娠毒血症（preeclampsia）、胎儿早产或畸形等问题。 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。 CpG寡脱氧核苷酸（CpG oligodeoxynucleotide，CpG ODN）是人工合成的CpG类似物，具有临床应用价值。CpG ODN自身通过修饰硫代磷酸酯以抗核酸酶降解，提高稳定性，其免疫 刺激功能广泛应用于各种疾病，而其不同类型决定了不同刺激方式，A型CpG（CpG-A）倾向以双链聚集形式存在，主要激活STING通路，留存于人类pDC细胞早期内体，刺激IFN-α形成；B型CpG（CpG-B）倾向以单链形式存在，激活TLR9通路，从早期内体迅速转移到晚期内体，强烈刺激促炎细胞因子产生；C型CpG（CpG-C）则兼具前两者免疫刺激效果。 CpG ODN作为抗原可刺激CD4+及CD8+ T细胞启动增殖分化程序产生免疫反应，因此通过CpG递送的免疫刺激疗法应时而生，CpG佐剂也得到广泛研究。CpG ODN预先刺激可诱导交叉耐受性（cross tolerance），使机体应对LPS感染时产生更强免疫作用。 细胞内炎症信号通路涉及TLR9及NF-κB激活，游离CpG ODN皆可摄取进入内体，但甲基化CpG ODN因未能定位内体TLR9而缺乏免疫活性，无法激活下游通路，因此CpG-B作为炎症治疗靶点具有潜在价值。实验及临床中，不同CpG-B序列在啮齿类与灵长类动物TLR9中特异性也不同：对小鼠而言，其CpG-B特异性序列为5'GACGTT3'，常用CpG1826（5'TCCATCACGTTCCTGACGTT3'）序列；而人类TLR9激活核心序列为5'GTCGTT3'，在临床治疗及人类细胞相关实验中最常用的序列为CpG2006（5'TCGTCGTTTTGTCGTTTTGTCGTT3'）。 分子与细胞生物学主题 TLR9，一种用于探测未甲基化CpG序列的受体 生物钟 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. （原始内容存档于2015-09-24） （英语）.  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 . PMID 18332208. doi:10.1128/IAI.00047-08. （原始内容存档于2022-08-28） （英语）.  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 . PMID 5231746. doi:10.1073/pnas.57.5.1394 （英语）.  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. （原始内容存档于2019-03-26） （英语）.  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 . PMID 16432200. doi:10.1073/pnas.0510310103. （原始内容存档于2022-08-28） （英语）.  Zhang, Wei. Genetics: Analysis of Genes and Genomes, Sixth Edition. Neuro-Oncology. 2005-04-01, 7 (2). ISSN 1523-5866. PMC 1871880 . doi:10.1215/S1152851704200059 （英语）.  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 . PMID 16314307. doi:10.1093/nar/gni180. （原始内容存档于2022-03-27） （英语）.  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 . PMID 11891299. doi:10.1073/pnas.052410099. （原始内容存档于2022-08-28） （英语）.  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. （原始内容存档于2013-01-02） （英语）.  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 . PMID 19151715. doi:10.1038/ng.298. （原始内容存档于2022-08-28） （英语）.  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 （英语）.  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. （原始内容存档于2022-08-28） （英语）.  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.  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.  Horvath, Steve. DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome Biology. 2013, 14 (10) [2022-08-28]. ISSN 1465-6906. PMC 4015143 . PMID 24138928. doi:10.1186/gb-2013-14-10-r115. （原始内容存档于2022-09-01） （英语）.  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.  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.  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.  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.  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].