Островки CpG

CpG - это сокращение для цитозина и гуанина , разделенных фосфатом, связывающим эти два нуклеотида вместе в ДНК. CpG-островки (CpG islands, CpG-последовательности) - протяженные участки ДНК с повышенным содержанием CpG динуклеотидов (кластеры CpG). Островки CpG лишены метилирования CpG, обнаруживаемого на промоторах большинства генов человека.

ДНК позвоночных животных ковалентно модифицируется метилированием цитозина ( основания ) в динуклеотидной последовательности 5'CpG3'.

У млекопитающих паттерны метилирования устанавливаются в ходе эмбрионального развития и поддерживаются механизмом копирования при делении клеток. Наследуемость паттернов метилирования ДНК делает эпигенетическую маркировку стабильной в ряду многих клеточных делений и, следовательно, составляет одну из форм клеточной памяти .

Долговременный сайленсинг гена может быть обеспечен метилированием района островков CpG. Например, таким путем сайленсированы гены на неактивной Х-хромосоме и некоторые импринтированные гены. Кроме того, некоторые гены в раковых клетках аберрантно сайленсированы метилированием островков CpG.

Островки CpG были выявлены как фракция ДНК позвоночных, которая необычно часто расщепляется рестрикционными ферментами, чувствительными к метилированию ДНК ( Cooper et al., 1983 ). Клонирование этих так называемых "крохотных НраII-фрагементов" показало, что они происходят из последовательностей, обогащенных CpG и имеющих длину около 1 т.п.н., которые не метилированы в зародышевых клетках, у ранних эмбрионов и обычно также во всех соматических тканях ( Bird et al., 1985 ). Островки CpG ( рис. 18.4 ) являются поэтому исключением из "глобального" метилирования CpG, преобладающего в большей части генома млекопитающих. Ранние работы по картированию промоторов индивидуальных генов выявили районы, обогащенные GC, вблизи промоторов генов ( McKeon et al., 1982 ), и сейчас очевидно, что большинство (если не все) островки CpG маркируют промоторы и 5'-домены генов. Приблизительно 60% генов человека имеют промоторы с островками CpG.

Для генома эукариот характерно наличие изохор (isochores). В GC богатых изохорах (isochores) локализовано большое количество СрG-островков - последовательностей от 500 до 2000 п.о., характеризующихся очень высоким содержанием гуанина и цитозина (G+С более 60%), представленных в виде кластеров неметилированных СрG-дуплетов и так называемых G/С-боксов - локусов, родственных сайту узнавания для одного из транскрипционных факторов Spl - (G)4С(G)4С [ Bird A.P., 1986 ; Lindsay S., Bird A.P., 1987 ; Aissani В., Bernardi G., 1991 ]. СрG-островки содержат много сайтов узнавания для чувствительной к метилированию эндонуклеазы HpaII , а также сайты для редкощепящих рестриктаз , узнающих неметилированные СрG-дуплеты. В частности, более 80% Nor 1-сайтов связано с СрG-богатыми островками. 

Как уже говорилось выше, характерным свойством CpG-островков является их локализация вблизи структурных генов, преимущественно в их 5'-участках (регуляторные последовательности, промоторы, последовательности первого экзона) [ Baylin, ea 1998 , Gardiner-Garden, ea 1987 , Turker, ea 1999 ]. Анализ полностью расшифрованных к настоящему моменту нуклеотидных последовательностей хромосом 21 и 22 человека [ Hattori, ea 2000 , Dunham, ea 1999 ] подтверждает это общее положение. Формальные признаки CpG-островков присутствуют в промоторных зонах примерно 60-70% генов человека):

- размеры от 0,5 до 5 тыс. пар оснований (т.п.о.) (в среднем 1 т.п.о.);

- встречаемость примерно 1 на 100 т.п.о.;

- обычное (т.е. соответствующее расчетному 1:16) содержание динуклеотида CpG;

- С + G превышает 60%; отношение CpG/GpC не менее 0,6 [ Antequera, ea 1995 ].

За несколькими известными исключениями CpG-островки неметилированы во всех типах тканей независимо от экспрессии соответствующего гена. С этой точки зрения важен вопрос о пространственной соотнесенности структурных генов и CpG-островков. Примерные расчеты свидетельствуют о том, что свыше половины генов, составляющих функционирующий геном человека. содержат CpG-островки: они имеются, по-видимому, у всех генов, выполняющих базовые клеточные функции ( генов домашнего хозяйства ), и у примерно 40% генов, выполняющих специализированные функции ( рис. 3 ). Значительная часть тканеспецифических генов не имеет в своих промоторах CpG- островков: вместо них могут присутствовать одиночные CpG-динуклеотиды.

Наибольшая плотность СрG-островков наблюдается в теломерных участках хромосом 1 , 9 , 15 , 16 , 17 , 19 , 20 , 22 [ Antonarakis S.E., 1994 ]. Точные молекулярные методы регистрации СрG-островков показали, что их число в геноме человека приближается к 45000 [ Antequera F., Bird A.P., 1993 ].

Некоторые гены-супрессоры опухолевого роста содержат в промоторной области CpG-островки. Примерами таких генов могут служить ген ретинобластомы Rb1 и гены CDKN2A и CDKN2B, ответственные за развитие меланомы и гематологических опухолей, соответственно.

В геноме млекопитающих CpG встречаются гораздо реже, чем можно было ожидать, исходя из вероятности их встречаемости, рассчитанной на основании G+C соседства в ДНК. CpG  локализуются преимущественно в R-сегментах и поддерживаются в неметилированном состоянии в клетках зародышевой линии и нормальных соматических тканей. Исключение составляют островки в генах, подвергнутых импринтингу, в генах инактивированных X-хромосом, а также в повторяющихся элементах генома LINE и SINE (например, Alu), где они сильно метилированы. Длина промоторов, в которых встречаются островки, около 1 кб. Иногда эти островки могут находиться и в кодирующих частях генов. Вообще их позиция относительно старта транскрипции может сильно меняться от гена к гену.

Полагают, что именно неметилированное состояние CpG- островков стабилизирует их структуру в эволюции генома из-за более низкой скорости мутирования по сравнению с 5-mC, который в результате дезаминирования часто превращается в тимин со всеми вытекающими отсюда мутагенными последствиями. В гаплоидном геноме человека обнаруживают около 45000 CpG-островков, и считается, что большинство из них ассоциировано с генами. Промоторы многих генов домашнего хозяйства содержат неметилированные CpG-островки.

В настоящее время непонятен механизм поддержания CpG- островков в неметилированном состоянии. Поскольку Мтаза обладает способностью метилировать их in vitro, структурные особенности ДНК сами по себе не способны это обеспечивать. Считается, что в поддержании неметилированного состояния островков участвуют специфические белки хроматина. Хроматин CpG-островков не содержит гистона H1, а гистоны H2A и H2B в этих участках хроматина недоацетилированы. Кроме того, CpG-островки часто содержат сайты связывания фактора транскрипции Sp1, который, взаимодействуя как с метилированными, так и неметилированными сайтами, предотвращает их исходное или дальнейшее метилирование. Полагают, что именно этот фактор может играть ключевую роль в постоянном поддержании генов домашнего хозяйства в неметилированном активном состоянии.

Для соматических клеток, растущих в первичной культуре, характерно быстрое изменение характера метилирования ДНК. Это изменение часто связывают с ограниченным пролиферативным потенциалом культивируемых клеток и их старением как in vivo, так и in vitro. Многие гены культивируемых клеток гиперметилированы, а отдельные CpG-островки аутосом, поддерживаемые in vivo в неметилированном состоянии, переходят в метилированное состояние.

Полагают, что гиперметилирование ДНК и инактивация многих генов культивируемых клеток являются следствием отбора, направленного на выключение экспрессии генов, которые не требуются безусловно для выживания клеток в культуре. Кроме того, в культуре происходит отбор клеток на способность к быстрому делению, поскольку быстро делящиеся клетки вытесняют медленно пролиферирующие. Поэтому гены, вызывающие задержку клеточного цикла и терминальную дифференцировку клеток, например, p16 или MyoD1 , быстро инактивируются у культивируемых клеток под действием мутаций или гиперметилированием.

CG - островки как маркеры генов

CpG островки и метилирование ДНК в регуляции транскрипции.

Ссылки:

Все ссылки