Кіріспе
Цитозиннен кейін гуанин орналасқан, жиі метилирленген ДНК аймағы. CpG сайттары немесе CG сайттары – ДНК-ның 5' → 3' бағытындағы негіздердің тізбегінде цитозин нуклеотидінен кейін гуанин нуклеотиді орналасқан аймақтар. CpG сайттары геномдық аймақтарда, «CpG аралдары» деп аталатындарда жиі кездеседі. CpG динуклеотидтеріндегі цитозиндер метилденіп, 5-метилцитозинге айналуы мүмкін. Метил тобын қосатын ферменттер ДНК метилтрансферазалар деп аталады. Сүтқоректілерде CpG цитозиндерінің 70-80% метилденген. Ген ішіндегі цитозиннің метилденуі оның экспрессиясын өзгерте алады, бұл гендік реттеуді зерттейтін, эпигенетика деп аталатын ғылым саласының бір бөлігі болып табылады. Метилденген цитозиндер көбінесе тиминге мутациялайды. Адамдарда геннің транскрипциясы басталатын орнына жақын орналасқан промоторлардың (проксимальді промоторлар) шамамен 70%-ында CpG аралы кездеседі.
The CpG sites or CG sites are regions of DNA where a cytosine nucleotide is followed by a guanine nucleotide in the linear sequence of bases along its 5' → 3' direction. CpG sites occur with high frequency in genomic regions called CpG islands. Cytosines in CpG dinucleotides can be methylated to form 5 methylcytosines. Enzymes that add a methyl group are called DNA methyltransferases. In mammals, 70% to 80% of CpG cytosines are methylated. Methylating the cytosine within a gene can change its expression, a mechanism that is part of a larger field of science studying gene regulation that is called epigenetics. Methylated cytosines often mutate to thymines. In humans, about 70% of promoters located near the transcription start site of a gene (proximal promoters) contain a CpG island.
Анықтама
CpG – 5'—C—фосфат—G—3' дегеннің қысқартылған жазуы, яғни цитозин мен гуанин бір ғана фосфат тобымен бөлінген; фосфат ДНК-да кез келген екі нуклеозидті байланыстырады. CpG белгілемесі осы бір тізбекті сызықтық реттілікті цитозин мен гуаниннің екі тізбекті реттіліктеріндегі CG базалық жұптасуынан ажырату үшін қолданылады. Сондықтан CpG жазуын цитозиннің гуанин базасына 5' жағынан орналасқан деп түсіну керек. CpG-ді GpC-мен шатастырмау қажет, соңғысы бір тізбекті реттілікте гуаниннен кейін цитозиннің 5' → 3' бағытта орналасқандығын білдіреді.
Мутация деңгейінің жоғары болуынан туындаған аз қамтылу
CpG динуклеотидтері омыртқалы жануарлар геномдарының тізбегінде кездейсоқ болуынан күтілетіннен әлдеқайда сирек кездесетіні ұзақ уақыттан бері байқалып келеді. Мысалы, 42% GC құрамы бар адам геномында, цитозиннен кейін гуанин тұратын нуклеотидтер жұбының уақыттың шамамен бес бөлігінде кездесуі күтіледі. Адам геномдарындағы CpG динуклеотидтерінің жиілігі күтілетін жиіліктің бірден бес есе аз. Бұл көрсеткіштің төмен болуы метилирленген CpG орындарындағы жоғары мутация жылдамдығының салдарынан туындайды: метилирленген цитозиннің спонтанды деаминациялануы тиминге алып келеді, ал нәтижедегі G:T қате жұптасқан негіздер көбінесе A:T жұбына бұрыс түзетіледі; ал метилирленбеген цитозиннің деаминациялануы урацилге әкеледі, ол шетелдік негіз ретінде базалық экзизиялық жөндеу механизмі арқылы тез цитозинмен алмастырылады. Метилирленген CpG орындарындағы C-тен T-ге өту жылдамдығы метилирленбеген орындарға қарағанда шамамен 10 есе жоғары.
Геномдық таралу
+ CpG сайттары GpC сайттары Адамның APRT геніндегі CpG сайттарының (сол жақта: қызыл түсті) және GpC сайттарының (оң жақта: жасыл түсті) таралуы. CpG геннің промоторлық аймағында көптеп кездеседі, онда олар CpG аралын құрайды, ал GpC тегіс таралады. APRT генінің 5 экзоны (көк түсті) көрсетілген, ал бастау (ATG) және тоқтату (TGA) кодондары (қою көк түсті) ерекше атап көрсетілген. CpG динуклеотидтері жиі CpG аралдарында кездеседі (CpG аралдарының анықтамасын төменде қараңыз). Адам геномында 28 890 CpG аралы бар (қайталанатын тізбектердегі CpG аралдарын есепке алғанда 50 267). Бұл Venter және авторлар тапқан 28 519 CpG аралдарымен сәйкес келеді, себебі Venter және авторлардың геномдық тізбегінде өте ұқсас қайталанатын элементтердің ішкі бөлігі және центромерлерге жақын тығыз қайталанатын аймақтар қамтылмаған. CpG аралдарында көптеген CpG динуклеотидтік тізбектері болғандықтан, адам геномында 20 миллионнан астам CpG динуклеотиді бар болып көрінеді.
CpG аралдары
CpG аралдары (немесе CG аралдары) – CpG сайттарының жоғары жиілікпен кездесетін аймақтар. CpG аралдарына қатысты нақты анықтамалар шектеулі болғанымен, қалыпты ресми анықтама – кемінде 200 б.ж., 50%-дан жоғары GC көрсеткіші және күтілетін CpG қатынасынан 60%-дан жоғары көрсеткіш болатын аймақ. "Көрінетін және күтілетін CpG қатынасы" келесідей есептеледі: және күтілетін мәні немесе (промотор аймақтары). Осы себепті, CpG аралының болуы гендерді болжау және түсіндіруге көмектеседі. Сүтқоректілер геномында CpG аралдары әдетте 300–3000 негіз жұбынан тұрады және сүтқоректілер гендерінің промоторларының шамамен 40%-ында немесе оларға жақын жерде табылады. Адам гендерінің 60%-дан астамы және дерлік барлық тұрақты жұмыс істейтін гендердің промоторлары CpG аралдарының ішінде орналасқан. GC екі нуклеотидтік тізбектерінің жиілігін ескере отырып, CpG динуклеотидтерінің саны күтілгеннен әлдеқайда төмен. 2002 жылғы зерттеуде Alu қайталамалары сияқты басқа GC-ға бай геномдық тізбектерді жою үшін CpG аралдарын болжау ережелері қайта қарастырылды. Адамның 21 және 22 хромосомаларының толық тізбектерін жан-жақты іздеу нәтижесінде, GC мазмұны 55%-дан жоғары және күтілетін CpG қатынасы 65% болған жағдайда, 500 б.ж.-дан ұзын ДНК аймақтары гендердің 5' аймақтарымен байланысты "нағыз" CpG аралдары болуы мүмкін екені анықталды. CpG аралдары кемінде 60% CpG динуклеотидтерінің статистикалық күтілетін мөлшерін (~4–6%) қамтиды, геномның қалған бөлігінде CpG жиілігі әлдеқайда төмен (~1%), бұл құбылыс CG-нің тежелуі деп аталады. Геннің кодтау аймағындағы CpG сайттарынан айырмашылығы, көп жағдайда гендер экспрессияланса, промоторлардағы CpG аралдарындағы CpG сайттары метилденбейді. Бұл байқау геннің промоторындағы CpG сайттарының метилденуі ген экспрессиясын тежеуі мүмкін деген болжамға әкелді. Метилдеу, гистонның модификациясымен бірге, импринтингтің маңызды бөлігі болып табылады. Тіндер арасындағы немесе қалыпты және қатерлі үлгілер арасындағы метилдеу айырмашылықтарының көп бөлігі CpG аралдарының өзінде емес, олардан аз қашықтықта ("CpG арал жағалауларында") орын алады. CpG аралдары омыртқалы жануарларда гендердің транскрипциясы басталатын орнында немесе оған жақын жерде, әсіресе тұрақты жұмыс істейтін гендерде кездеседі.
Промотордағы CpG аралдары
Адамдарда геннің транскрипция басталу орнына жақын орналасқан промоторлардың (проксимальді промоторлар) шамамен 70% -ы CpG аралдарын қамтиды. CpG аралдары микроРНК сияқты функционалдық кодтамайтын РНК промоторларында да жиі кездеседі.
CpG аралдарының метилирленуі гендерді тұрақты түрде үндетпейді
Адамдарда ДНК метилирлеуі цитозин қалдықтарының пиримидин сақинасының 5-позициясында CpG сайттарында 5-метилцитозин түзетіндей болады. Промоторлардағы CpG аралдарында көптеген метилирленген CpG сайттарының болуы гендердің тұрақты түрде өшірілуіне (silencing) әкеледі. Геннің өшірілуі басқа механизмдермен басталуы мүмкін, бірақ көбінесе бұл промотордағы CpG аралдарындағы CpG сайттарының метилирленуімен қатар жүріп, геннің тұрақты өшірілуіне себеп болады. Керісінше, бір зерттеуде, ішек ісігімен салыстырғанда, жақын орналасқан нормалы ішек қабығында 1734 CpG аралының күшті метилирленгені анықталды, ал осы CpG аралдары жақын орналасқан қабықта метилирленбеген. CpG аралдарының жартысы белгіленген белок кодтаушы гендердің промоторларында орналасқан. Тағы бір зерттеуде, ішек қатерлі ісігі мен жақын орналасқан қабық арасында 2000-нан астам геннің әртүрлі метилирленгені анықталды. Ген жиынтығының байыту талдауы бойынша, 938 ген жиынтығының 569-ы гиперметилирленген, ал 369-ы гипометилирленген. Промоторлардағы CpG аралдарының гипометилирленуі әсер еткен гендердің немесе ген жиынтығының жоғары экспрессиясына әкеледі. 2012 жылғы зерттеуде ішек қатерлі ісігімен байланысты гиперметилирленген промоторлары бар 147 нақты ген тізімі және осы гиперметилирленулердің ішек қатерлі ісігінде кездесу жиілігі көрсетілген. Осы гендердің кем дегенде 10-ы ішек қатерлі ісігінің шамамен 100% жағдайында гиперметилирленген промоторларға ие. Сондай-ақ, олар 11 микроРНК-ны көрсетті, олардың промоторлары ішек қатерлі ісігінде 50%-дан 100%-ға дейін кездесетін жиілікте гиперметилирленген. МикроРНК (миРНК) – бұл хабаршы РНК тізбектерімен жұптасып, транскрипциядан кейінгі репрессияны жүзеге асыратын кішкентай эндогенді РНК-лар. Орташа есеп бойынша, әрбір микроРНК бірнеше жүздей мақсатты гендерді басады. Осылайша, гиперметилирленген промоторлары бар микроРНК-лар қатерлі ісікте жүздеген немесе мыңдаған гендердің жоғары экспрессиясына мүмкіндік беруі мүмкін. Жоғарыда келтірілген мәліметтер рак ауруларында гендер мен микроРНК-ның CpG промоторлы гипер/гипометилирленуі мутацияға қарағанда әлдеқайда көп гендердің экспрессиясын жоғалтуына (немесе кейде экспрессиясын арттыруына) себеп ететінін көрсетеді.
Қатерлі ісіктердегі гипер/гипометилденген промоторлары бар ДНК-ны жөндеу гендері
ДНҚ жөндеу гендері қатерлі ісіктерде олардың промоторларындағы CpG аралдарының гиперметилденуі салдарынан жиі басылады. Бас және мойынның жазық клеткалық карциномаларында кем дегенде 15 ДНҚ жөндеу генінің промоторлары жиі гиперметилденген; бұл гендер: XRCC1, MLH3, PMS1, RAD51B, XRCC3, RAD54B, BRCA1, SHFM1, GEN1, FANCE, FAAP20, SPRTN, SETMAR, HUS1 және PER1. Шамамен он жеті түрлі қатерлі ісік, олардың промоторларының гиперметилденуіне байланысты бір немесе бірнеше ДНҚ жөндеу гендерінің жеткіліксіздігінен жиі зардап шегеді. Мысалы, ДНҚ жөндеу гені MGMT-нің промоторлық гиперметилденуі көк шөлке ісігінің 93%-ында, асқазан ісігінің 88%-ында, қалқанша безі ісігінің 74%-ында, тік ішек-толқын ішегі ісігінің 40-90%-ында және ми ісігінің 50%-ында кездеседі. LIG4 промоторлық гиперметилденуі колоректальды қатерлердің 82%-ында кездеседі. NEIL1 промоторлық гиперметилденуі бас және мойын қатерлі ісіктерінің 62%-ында және ұсақ емес жасушалы өкпе қатерлі ісіктерінің 42%-ында кездеседі. ATM промоторлық гиперметилденуі ұсақ емес жасушалы өкпе қатерлі ісіктерінің 47%-ында кездеседі. MLH1 промоторлық гиперметилденуі ұсақ емес өкпе қатерлі ісігінің 48%-ында кездеседі. FANCB промоторлық гиперметилденуі бас және мойын қатерлі ісіктерінің 46%-ында кездеседі. Екінші жағынан, екі геннің – PARP1 және FEN1 – промоторлары гипометилденген және бұл гендер көптеген қатерлі ісіктерде жоғары экспрессияланған. PARP1 және FEN1 қатеге бейім және мутагенді ДНҚ жөндеу жолының микрогомология арқылы аяқталатын қосылуындағы маңызды гендер болып табылады. Егер бұл жолдың экспрессиясы артық болса, оның тудыратын артық мутациялар қатерлі ісікке әкелуі мүмкін. PARP1 тирозинкиназа белсендірілген лейкемияларда, нейробластомаларда, ұрықтық және басқа да гермдік жасушалар ісіктерінде және Юинг саркомасында жоғары экспрессияланады, ал FEN1 сүт безі, простата, асқазан, нейробластома, бүйрек безі және өкпе қатерлі ісіктерінің көпшілігінде экспрессияланады. ДНҚ зақымдануы қатерлі ісіктің негізгі себебі болып көрінеді. Егер ДНҚ-ның дұрыс жөнделуі жеткіліксіз болса, ДНҚ зақымдануы жинақталады. Мұндай артық ДНҚ зақымдануы қатеге бейім транслезиялық синтез салдарынан ДНҚ репликациясы кезінде мутациялық қателерді арттыра алады. ДНҚ-ның артық зақымдануы сонымен қатар ДНҚ жөндеу кезіндегі қателерге байланысты эпигенетикалық өзгерістерді арттыра алады. Мұндай мутациялар мен эпигенетикалық өзгерістер қатерлі ісікке әкелуі мүмкін (қатерлі неоплазмаларды қараңыз). Осылайша, ДНҚ жөндеу гендерінің промоторларындағы CpG аралдардың гипер/гипометилденуі қатерлі ісікке қарай дамудың маңызды факторы болуы мүмкін.
КpG сайттарының метилирленуі
Жас он мыңдаған CpG сайттарында ДНК метилирлеу деңгейіне күшті әсер ететіндіктен, адамдар мен шимпанзелерде жоғары дәлдікке ие биологиялық сағатты (эпигенетикалық сағат немесе ДНК метилирлеу жасы деп аталады) анықтау мүмкін.
Метилденбеген жерлер
Метилденбеген CpG динуклеотидтік орындары адамдарда плазмоцитоидты дендриттік жасушалардың, моноциттердің, табиғи өлтіруші (NK) жасушалардың және B жасушаларының Toll-тәрізді рецепторы 9 (TLR 9) арқылы анықталады. Бұл жасуша ішіндегі вирустық инфекцияны анықтауға пайдаланылады.
Жадтағы CpG сайттарының рөлі
Сүтқоректілерде ДНК метилтрансферазалары (ДНК негіздеріне метил топтарын қосады) CpG сайттарындағы цитозиндерге қатысты тізбектелген артықшылық көрсетеді. Тышқан миындағы барлық цитозиндердің 4,2%-ы метилденген, негізінен CpG сайттарының контекстінде 5mCpG түзеді. Көптеген гиперметилденген 5mCpG сайттары байланысты гендердің өршуін күшейтеді. 2016 жылы Halder және авторлар, ал 2017 жылы Duke және авторлар зерттеу жүргізді. 2018 жылы шолуда көрсетілгендей, ми нейрондарында 5mC он бір транслокациялық диоксигеназалар (TET) отбасының (TET1, TET2, TET3) әрекетімен 5 гидроксиметилцитозин (5hmC) түзіледі. TET ферменттері 5hmC-ты кезең-кезеңмен гидроксилдап, 5 формальцитозин (5fC) және 5 карбоксилцитозин (5caC) түзеді. Тимин ДНК гликозилазасы (TDG) 5fC және 5caC аралық негіздерін таниды және гликозидтік байланысты кесіп тастайды, нәтижесінде апиримидиндік сайт (AP сайт) пайда болады. Балама тотығу деаминациялау жолында 5hmC цитидин деаминазасы/аполипопротеин B мРНК өңдеу кешені (AID/APOBEC) деаминазаларының әрекетімен 5 гидроксиметилурацилге (5hmU) айналуы немесе 5mC тиминге (Thy) түрленуі мүмкін. 5hmU TDG, бір жіптік таңдамалы монофункционалды урацил ДНК гликозилазасы 1 (SMUG1), Nei-ге ұқсас ДНК гликозилазасы 1 (NEIL1) немесе метил CpG байланыстырушы ақуыз 4 (MBD4) арқылы ыдырайды. AP сайттары және T:G сәйкессіздіктері цитозин (Cyt) алу үшін базалық экзиция жөндеу (BER) ферменттерімен жөнделеді. Екі шолу есте сақтау процесінде ROS-тің маңызды және қажетті рөліне қатысты мол мәліметтерді жинақтайды. Есте сақтау қалыптасу кезінде мыңдаған CpG сайттарының ДНК деметилденуі ROS-тің басталуына байланысты. 2016 жылы Zhou және авторлар,
CpG жоғалуы
Транспозицияланатын элементтердің (ТЭ) ДНК метилдену процесінде CpG-ның азаюы байқалды, онда ТЭ геномның кеңеюіне ғана емес, сонымен қатар қабылдаушы ДНК-дағы CpG жоғалуына да жауапты. ТЭ-лерді «метилдену орталықтары» деп атауға болады, себебі метилдену процесі кезінде ТЭ қабылдаушы ДНК-ға енгеннен кейін жақын орналасқан ДНК-ға таралады. Бұл таралу эволюциялық уақыт өте келе CpG жоғалуына алып келуі мүмкін. Көне эволюциялық кезеңдердегі ДНК-дағы CpG жоғалуы, жас эволюциялық кезеңдермен салыстырғанда жоғары болады. Сондықтан, ДНК метилденуі көршілес ДНК-дағы CpG сайттарының айқын азаюына соқтыруы мүмкін.
Геном мөлшері мен CpG қатынасы теріс байланыста
Бұрынғы зерттеулер түрлер арасында геном мөлшерінің әртүрлілігін растады, омыртқасыздардың геномдары адам геномынан кіші, ал омыртқалы жануарлардың геномдары үлкен. Геном мөлшері транспозицияланатын элементтердің санымен тығыз байланысты. Дегенмен, ТЭ метилирлеу саны мен CpG мөлшері арасында кері байланыс бар. Бұл кері байланыс интергендік ДНҚ метилирлеуі арқылы CpG-нің азаюына алып келеді, бұл көбінесе ТЭ метилирлеуіне байланысты. Жалпы алғанда, бұл түрлердің геномдарындағы CpG жоғалуының айқын мөлшеріне себеп болады.
Алю элементтері CpG жоғалуын ынталандырушы ретінде
Алю элементтері ең көп кездесетін транспонациялық элементтер түрі ретінде белгілі. Кейбір зерттеулер Алю элементтерін геномның кеңеюіне жауапты факторларды зерттеу құралы ретінде пайдаланды. Алю элементтері LINE және ERV-лерден өзгеше, ұзақ тізбекшеде CpG-ға бай. Алю элементтері метилирлеу орталығы ретінде жұмыс істей алады, ал қабылдаушы ДНК-ға енуі ДНК метилирлеуін тудырып, жақын орналасқан ДНК аймағына таралуына себеп болады. Осы таралу салдарынан CpG-нің айтарлықтай жоғалуы және геномның кеңеюі байқалады. Дегенмен, бұл уақыт өте келе талданатын нәтиже, себебі ескі Алю элементтері жас элементтерге қарағанда көршілес ДНК участаларында көбірек CpG жоғалтуын көрсетеді.