Введение

Регион ДНК, часто подвергающийся метилированию, с цитозином, за которым следует гуанин. Сайты CpG или CG – это участки ДНК, где в линейной последовательности оснований в направлении 5' → 3' за нуклеотидом цитозина следует нуклеотид гуанина. Сайты CpG часто встречаются в геномических регионах, называемых островами CpG. Цитозины в динуклеотидах CpG могут метилироваться с образованием 5-метилцитозинов. Ферменты, добавляющие метильную группу, называются ДНК-метилтрансферазами. У млекопитающих от 70% до 80% цитозинов CpG метилированы. Метилирование цитозина в гене может изменять его экспрессию, что является механизмом, входящим в более широкую область науки, изучающую регуляцию генов, – эпигенетику. Метилированные цитозины часто мутируют в тимины. У человека около 70% промоторов, расположенных рядом с местом начала транскрипции гена (проксимальные промоторы), содержат остров CpG.

Определение

CpG – это сокращение от 5'—C—фосфат—G—3', то есть цитозин и гуанин, разделенные всего одной фосфатной группой; фосфат связывает любые два нуклеозида в ДНК. Обозначение CpG используется для различения этой одноцепочечной линейной последовательности от CG-спаривания цитозина и гуанина в двухцепочечных последовательностях. Следовательно, обозначение CpG следует интерпретировать как цитозин, расположенный в 5' позиции относительно гуанина. CpG не следует путать с GpC, где гуанин следует за цитозином в направлении 5' → 3' в одноцепочечной последовательности.

Недостаточное представление, вызванное высоким уровнем мутаций

Долгое время наблюдалось, что динуклеотиды CpG встречаются в последовательности геномов позвоночных гораздо реже, чем можно было бы ожидать, исходя из случайности. Например, в геноме человека, содержание GC в котором составляет 42%, пара нуклеотидов, состоящая из цитозина, за которым следует гуанин, должна встречаться с определенной частотой. Однако частота динуклеотидов CpG в геноме человека составляет менее одной пятой от ожидаемой. Эта пониженная представленность является следствием высокой скорости мутаций в метилированных участках CpG: спонтанное деаминирование метилированного цитозина приводит к образованию тимина, а образовавшаяся пара G:T несовпадающих оснований часто неправильно восстанавливается до A:T. В то время как деаминирование неметилированного цитозина приводит к урацилу, который, будучи чужеродным основанием, быстро заменяется цитозином посредством механизма иссечения оснований. Скорость перехода C в T в метилированных участках CpG примерно в 10 раз выше, чем в неметилированных участках.

Геномное распределение

+ CpG-сайты и GpC-сайты. Распределение CpG-сайтов (слева: красным цветом) и GpC-сайтов (справа: зеленым цветом) в человеческом гене APRT. CpG более многочисленны в 5'-некодирующей области гена, где они формируют остров CpG, в то время как GpC распределены более равномерно. Показаны 5 экзонов гена APRT (синим цветом), а стартовый (ATG) и стоп-кодоны (TGA) выделены (жирным синим цветом). Динуклеотиды CpG часто встречаются в островах CpG (см. определение островов CpG ниже). В геноме человека насчитывается 28 890 островов CpG (50 267, если учитывать острова CpG в повторных последовательностях). Это соответствует 28 519 островам CpG, обнаруженным Вентером и соавторами, поскольку последовательность генома, полученная Вентером и соавторами, не включала внутренние области высокопохожих повторяющихся элементов и чрезвычайно плотные повторные области вблизи центромер. Поскольку острова CpG содержат множество последовательностей динуклеотидов CpG, в геноме человека, вероятно, содержится более 20 миллионов динуклеотидов CpG.

Острова CpG

Острова CpG (или острова CG) – это регионы с высокой частотой CpG-сайтов. Хотя объективные определения островов CpG ограничены, обычно используемое формальное определение – это регион длиной не менее 200 п.н., с содержанием GC более 50% и наблюдаемым к ожидаемому соотношению CpG более 60%. "Наблюдаемое к ожидаемому соотношение CpG" рассчитывается, где наблюдаемое значение определяется как: , а ожидаемое – как или (в промоторных областях). Благодаря этому, наличие острова CpG используется для прогнозирования и аннотации генов. В геномах млекопитающих острова CpG обычно имеют длину 300–3000 пар оснований и обнаружены примерно в 40% промоторов генов млекопитающих или вблизи них. Более 60% человеческих генов и почти все гены "домашнего хозяйства" имеют промоторы, расположенные в островах CpG. Учитывая частоту двухнуклеотидных последовательностей GC, количество динуклеотидов CpG значительно ниже, чем можно было бы ожидать. Исследование 2002 года пересмотрело правила прогнозирования островов CpG, чтобы исключить другие GC-богатые геномные последовательности, такие как повторы Alu. На основе обширного поиска полных последовательностей человеческих хромосом 21 и 22 было установлено, что области ДНК длиной более 500 п.н. с большей вероятностью являются "истинными" островами CpG, связанными с 5'-областями генов, если они имеют содержание GC более 55% и наблюдаемое к ожидаемому соотношение CpG 65%. Острова CpG характеризуются содержанием динуклеотидов CpG не менее 60% от статистически ожидаемого (~4–6%), в то время как остальная часть генома имеет гораздо более низкую частоту CpG (~1%), что называется подавлением CG. В отличие от CpG-сайтов в кодирующей области гена, в большинстве случаев CpG-сайты в островах CpG промоторов не метилированы, если гены экспрессируются. Это наблюдение привело к предположению, что метилирование CpG-сайтов в промоторе гена может ингибировать экспрессию генов. Метилирование, наряду с модификацией гистонов, играет центральную роль в импринтинге. Большинство различий в метилировании между тканями или между нормальными и раковыми образцами наблюдаются на небольшом расстоянии от островов CpG (на "берегах островов CpG"), а не в самих островах. Острова CpG обычно встречаются на или вблизи сайта начала транскрипции генов, особенно генов "домашнего хозяйства", у позвоночных.

Острова CpG в промоутерах

У людей примерно 70% промоторов, расположенных рядом с началом транскрипции гена (проксимальные промоторы), содержат CpG-остров. CpG-острова также часто встречаются в промоторах функциональных некодирующих РНК, таких как микроРНК.

Метилирование CpG-островов стабильно подавляет гены

У человека метилирование ДНК происходит в 5-й позиции пиримидинового кольца цитозиновых остатков в CpG-сайтах, приводя к образованию 5-метилцитозинов. Наличие множественных метилированных CpG-сайтов в CpG-островах промоторов вызывает стабильное подавление генов. Подавление гена может быть инициировано другими механизмами, но часто за этим следует метилирование CpG-сайтов в CpG-островах промотора, что приводит к стабильному подавлению гена. В противоположность этому, в одном исследовании опухолей толстой кишки по сравнению с прилегающей нормальной слизистой оболочкой было обнаружено, что 1734 CpG-острова сильно метилированы в опухолях, в то время как в прилегающей слизистой оболочке эти CpG-острова не были метилированы. Половина CpG-островов находилась в промоторах аннотированных генов, кодирующих белки, а в третьем исследовании было выявлено более 2000 генов с дифференциальным метилированием между раком толстой кишки и прилегающей слизистой оболочкой. При использовании анализа обогащения генных наборов 569 из 938 генных наборов оказались гиперметилированными, а 369 – гипометилированными в раковых клетках. Гипометилирование CpG-островов в промоторах приводит к сверхэкспрессии затронутых генов или генных наборов. В одном исследовании 2012 года был представлен список из 147 специфических генов с гиперметилированными промоторами, связанными с раком толстой кишки, а также частота обнаружения этих гиперметиляций в раках толстой кишки. По крайней мере, 10 из этих генов имели гиперметилированные промоторы почти в 100% случаев рака толстой кишки. Также было показано, что промоторы 11 микроРНК гиперметилированы в раке толстой кишки в частоте от 50% до 100% случаев рака. МикроРНК (миРНК) – это небольшие эндогенные РНК, которые взаимодействуют с последовательностями в мРНК для осуществления посттранскрипционного подавления. В среднем, каждая микроРНК подавляет несколько сотен генов-мишеней. Таким образом, микроРНК с гиперметилированными промоторами могут способствовать сверхэкспрессии сотен или тысяч генов в раковой клетке. Приведенная выше информация показывает, что в раковых заболеваниях промоторное гипер-/гипометилирование CpG генов и микроРНК вызывает потерю экспрессии (или иногда увеличение экспрессии) гораздо большего числа генов, чем мутации.

Гены репарации ДНК с гипер-/гипо-метилированными промоторами при раковых заболеваниях

Гены, восстанавливающие ДНК, часто подавляются при раке из-за гиперметилирования CpG-островов в их промоторах. В плоскоклеточных карциномах головы и шеи у по крайней мере 15 генов восстановления ДНК часто гиперметилированы промоторы; эти гены: XRCC1, MLH3, PMS1, RAD51B, XRCC3, RAD54B, BRCA1, SHFM1, GEN1, FANCE, FAAP20, SPRTN, SETMAR, HUS1 и PER1. Примерно в семнадцати типах рака часто наблюдается дефицит одного или нескольких генов восстановления ДНК из-за гиперметилирования их промоторов. Например, гиперметилирование промотора гена MGMT, участвующего в восстановлении ДНК, встречается в 93% случаев рака мочевого пузыря, 88% случаев рака желудка, 74% случаев рака щитовидной железы, 40–90% случаев колоректального рака и 50% случаев рака мозга. Гиперметилирование промотора LIG4 наблюдается в 82% случаев колоректального рака. Гиперметилирование промотора NEIL1 наблюдается в 62% случаев рака головы и шеи и в 42% случаев немелкоклеточного рака легких. Гиперметилирование промотора ATM встречается в 47% случаев немелкоклеточного рака легких. Гиперметилирование промотора MLH1 наблюдается в 48% случаев плоскоклеточного немелкоклеточного рака легких. Гиперметилирование промотора FANCB наблюдается в 46% случаев рака головы и шеи. С другой стороны, промоторы двух генов, PARP1 и FEN1, были гипометилированы, и эти гены сверхэкспрессировались во многих типах рака. PARP1 и FEN1 являются важными генами в мутагенном и склонном к ошибкам пути восстановления ДНК – микрогомологичном слиянии концов. Если этот путь сверхэкспрессирован, избыточные мутации, которые он вызывает, могут привести к раку. PARP1 сверхэкспрессируется при лейкемиях, активированных тирозинкиназами, при нейробластоме, в опухолях яичек и других герминальных опухолях, а FEN1 сверхэкспрессируется в большинстве случаев рака молочной железы, простаты, желудка, нейробластомы, поджелудочной железы и легких. Повреждение ДНК, по-видимому, является основной причиной рака. Если восстановление ДНК происходит недостаточно точно, повреждения ДНК имеют тенденцию накапливаться. Такое избыточное повреждение ДНК может увеличить число мутационных ошибок во время репликации ДНК из-за транслезионного синтеза, склонного к ошибкам. Избыточное повреждение ДНК также может увеличить эпигенетические изменения из-за ошибок, возникающих при восстановлении ДНК. Такие мутации и эпигенетические изменения могут приводить к развитию рака (см. злокачественные новообразования). Таким образом, гипер-/гипометилирование CpG-островов в промоторах генов восстановления ДНК, вероятно, играет центральную роль в прогрессировании рака.

Метилирование участков CpG с возрастом

Поскольку возраст оказывает значительное влияние на уровни метилирования ДНК в десятках тысяч CpG-сайтов, можно определить высокоточные биологические часы (известные как эпигенетические часы или возраст, определяемый по метилированию ДНК) у людей и шимпанзе.

Неметилированные участки

Неметилированные динуклеотидные участки CpG могут быть обнаружены рецептором Toll-подобного рецептора 9 (TLR 9) на плазмоцитоидных дендритных клетках, моноцитах, естественных киллерах (NK) и B-клетках у человека. Это используется для обнаружения внутриклеточной вирусной инфекции.

Роль CpG-сайтов в памяти

У млекопитающих ДНК-метилтрансферазы (которые добавляют метильные группы к основаниям ДНК) проявляют последовательную предпочтительность к цитозинам в CpG-сайтах. В мозге мыши 4,2% всех цитозинов метилированы, преимущественно в контексте CpG-сайтов, образуя 5mCpG. Большинство гиперметилированных 5mCpG-сайтов усиливают репрессию связанных генов. В 2016 году Halder et al., используя мышей, а в 2017 году Duke et al. Как было рассмотрено в 2018 году, в нейронах мозга 5mC окисляется семейством диоксигеназ TET (ten-eleven translocation) – TET1, TET2, TET3 – с образованием 5-гидроксиметилцитозина (5hmC). На последующих этапах ферменты TET дополнительно гидроксилируют 5hmC, образуя 5-формальцитозин (5fC) и 5-карбоксилцитозин (5caC). Тимин-ДНК-гликозилаза (TDG) распознает промежуточные основания 5fC и 5caC и удаляет гликозидную связь, формируя апиримидиновый сайт (AP-сайт). В альтернативном пути окислительной деаминации 5hmC может быть окислительно деаминирован деаминазами, активируемыми цитидин-деаминазой/аполипопротеиновым B мРНК-редактирующим комплексом (AID/APOBEC), с образованием 5-гидроксиметилурацила (5hmU), или 5mC может быть преобразован в тимин (Thy). 5hmU может быть расщеплен TDG, одноцепочечной селективной монофункциональной урацил-ДНК-гликозилазой 1 (SMUG1), Nei-подобной ДНК-гликозилазой 1 (NEIL1) или метил-CpG-связывающим белком 4 (MBD4). AP-сайты и T:G-несоответствия затем восстанавливаются ферментами исправления оснований (BER) с образованием цитозина (Cyt). Два обзора суммируют обширные доказательства критической и существенной роли активных форм кислорода (ROS) в формировании памяти. Деметилирование ДНК тысяч CpG-сайтов во время формирования памяти зависит от инициации ROS. В 2016 году Zhou et al.

Потеря CpG

Снижение уровня CpG наблюдается в процессе метилирования ДНК транспозируемых элементов (TEs), при этом TEs не только способствуют расширению генома, но и потере CpG в ДНК хозяина. TEs можно рассматривать как "центры метилирования", поскольку в процессе метилирования они распространяют метильные группы на фланкирующую ДНК после включения в геном хозяина. Это распространение со временем может приводить к потере CpG. Более древние эволюционные периоды демонстрируют большую потерю CpG во фланкирующей ДНК по сравнению с более молодыми. Таким образом, метилирование ДНК в конечном итоге может приводить к значительному снижению количества CpG-сайтов в соседних участках ДНК.

Размер генома и соотношение CpG отрицательно коррелируют

Предыдущие исследования подтвердили разнообразие размеров геномов у разных видов, при этом у беспозвоночных и позвоночных геномы меньше и больше, чем у человека соответственно. Размер генома тесно связан с числом транспонируемых элементов. Однако наблюдается корреляция между степенью метилирования транспонируемых элементов и количеством CpG динуклеотидов. Эта отрицательная корреляция приводит к снижению содержания CpG из-за метилирования межгенной ДНК, которое в основном обусловлено метилированием транспонируемых элементов. В целом, это способствует значительной потере CpG в геномах различных видов.

Алюминиевые элементы в качестве стимуляторов потери CpG

Алюминиевые элементы известны как наиболее распространенный тип транспонируемых элементов. Некоторые исследования использовали элементы Alu для изучения факторов, ответственных за расширение генома. В отличие от LINEs и ERV, Alu-элементы содержат большее количество CpG-динуклеотидов в своей последовательности. Alu-элементы могут служить центрами метилирования, и их встраивание в ДНК хозяина может приводить к метилированию ДНК и вызывать распространение метилирования на фланкирующие участки. Это распространение является причиной значительной потери CpG и расширения генома. Однако этот процесс изучается во времени, поскольку в старых Alu-элементах наблюдается большая потеря CpG в соседних участках ДНК по сравнению с молодыми.