CpGサイト

CpGは5'—C—リン酸—G—3'の略記で、シトシンとグアニンがリン酸基1つで隔てられていることを意味します。リン酸はDNA中の2つのヌクレオシドを連結します。CpG表記は、この一本鎖の直線状配列を、二本鎖配列における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はGpCと混同してはいけません。GpCは、一本鎖配列の5'→3'方向において、グアニンの後にシトシンが続くことを意味します。

CpGジヌクレオチドは、脊椎動物ゲノムの配列において、偶然によるものと予想されるよりもはるかに低い頻度で出現することが長らく観察されてきた。例えば、GC含量が42%であるヒトゲノム^{[ 4 ]}では、シトシンとグアニンからなるヌクレオチド対が出現すると予想されるが、${\displaystyle 0.21\times 0.21=4.41\%}$当時のCpGジヌクレオチドの頻度は、予想される頻度の5分の1未満である。^{[ 5 ]}

この過小評価は、メチル化CpG部位の高い突然変異率の結果である。メチル化シトシンの自然発生的な脱アミノ化によりチミンが生じ、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に解決される。一方、非メチル化シトシンの脱アミノ化によりウラシルが生じ、これは異質な塩基として塩基除去修復機構によってすぐにシトシンに置き換えられる。メチル化CpG部位におけるCからTへの遷移率は、非メチル化部位における遷移率の約10倍である。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

CpG ジヌクレオチドは CpG アイランドに頻繁に出現します (下記の 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 (CpG アイランドを反復配列に含めると 50,267 個になります)。^{[ 10 ]}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。 ^{[ 11 ]} Venter らのゲノム配列には、非常に類似した反復要素の内部とセントロメア付近の非常に密度の高い反復領域が含まれていなかったためです。^{[ 12 ]} 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 万個以上の CpG ジヌクレオチドが存在するようです。

ヒトでは、遺伝子の転写開始部位付近に位置するプロモーター（近位プロモーター）の約70%にCpGアイランドが含まれている。^{[ 2 ] [ 3 ]}

遠位プロモーター要素にもCpGアイランドが頻繁に含まれている。例として、DNA修復遺伝子ERCC1があり、CpGアイランドを含む要素はERCC1遺伝子の転写開始部位から約5,400ヌクレオチド上流に位置している。^{[ 22 ]} CpGアイランドは、マイクロRNAなどの機能性非コードRNAのプロモーターにも頻繁に出現する。^{[ 23 ]}

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-メチルシトシンが形成される。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、遺伝子の安定的なサイレンシングが起こる。^{[ 24 ]}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こともあるが、多くの場合、プロモーターCpGアイランド内のCpG部位のメチル化が続いて、遺伝子の安定的なサイレンシングが起こる。^{[ 24 ]}

がんでは、遺伝子発現の喪失は、変異よりもプロモーターCpGアイランドの過剰メチル化によって約10倍多く発生します。たとえば、大腸がんでは、通常、ドライバー変異が約3～6個、ヒッチハイカーまたはパッセンジャー変異が33～66個あります。^{[ 25 ]}対照的に、隣接する正常に見える大腸粘膜と比較した大腸腫瘍の研究では、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ましたが、これらのCpGアイランドは隣接する粘膜ではメチル化されていませんでした。^{[ 26 ]} CpGアイランドの半分は、注釈付きタンパク質コード遺伝子のプロモーターにあり、^{[ 26 ]}大腸腫瘍では約867個の遺伝子がCpGアイランドのメチル化によって発現を失っていることを示唆しています。別の研究では、6つの結腸癌のゲノム（隣接する粘膜と比較して）に平均1,549の差次的メチル化領域（過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った。^{[ 27 ]} 3番目の研究では、結腸癌と隣接する粘膜の間で2,000を超える遺伝子の差次的メチル化が見つかった。遺伝子セット濃縮分析を使用すると、938の遺伝子セットのうち569が癌で過メチル化され、369が低メチル化されていた。^{[ 28 ]}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す。

2012年の研究^{[ 29 ]}では、結腸癌に関連する過剰メチル化プロモーターを持つ147の特定の遺伝子と、これらの過剰メチル化が結腸癌で見られる頻度がリストアップされています。これらの遺伝子のうち少なくとも10個は、結腸癌のほぼ100%で過剰メチル化プロモーターを持っていました。また、プロモーターが結腸癌で50%から100%の頻度で過剰メチル化されている11のマイクロRNAも示されました。マイクロRNA（miRNA）は、メッセンジャーRNAの配列と対合し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。^{[ 30 ]}したがって、過剰メチル化プロモーターを持つマイクロRNAは、癌で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あります。

上記の情報は、がんにおいて、遺伝子およびマイクロRNAのプロモーターCpGの過剰/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喪失（または場合によっては発現増加）を引き起こすことを示している。

DNA修復遺伝子は、プロモーター内のCpGアイランドの過剰メチル化により、癌において頻繁に抑制される。頭頸部扁平上皮癌では、少なくとも15個のDNA修復遺伝子のプロモーターが頻繁に過剰メチル化されている。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である。^{[ 31 ]}約17種類の癌では、プロモーターの過剰メチル化により、1つ以上のDNA修復遺伝子が頻繁に欠損している。^{[ 32 ]}例えば、DNA修復遺伝子MGMTのプロモーター過剰メチル化は、膀胱癌の93%、胃癌の88%、甲状腺癌の74%、大腸癌の40%～90%、脳腫瘍の50%で発生しています。LIG4のプロモーター過剰メチル化は、大腸癌の82%で発生しています。NEIL1のプロモーター過剰メチル化は、頭頸部癌の62% 、非小細胞肺癌の42%で発生しています。ATMのプロモーター過剰メチル化は、非小細胞肺癌の47%で発生しています。MLH1のプロモーター過剰メチル化は、非小細胞肺癌扁平上皮癌の48%で発生しています。FANCBのプロモーター過剰メチル化は、頭頸部癌の46%で発生しています。

一方、PARP1とFEN1という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る。PARP1とFEN1は、エラーを起こしやすく変異を誘発するDNA修復経路である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ある。この経路が過剰発現すると、それが引き起こす過剰な変異が癌につながる可能性がある。PARP1は、チロシンキナーゼ活性化白血病^{[ 33 ]} 、神経芽腫^{[ 34 ]} 、精巣およびその他の胚細胞腫瘍^{[ 35 ]}、ユーイング肉腫^{[ 36 ]}で過剰発現しており、 FEN1は、乳癌^{[ 37 ] 、前立腺癌[ 38 ]}、胃癌^{[ 39 ] [ 40 ] 、神経芽腫[ 41 ]}、膵臓癌^{[ 42 ]} 、肺癌の大部分で過剰発現している。^{[ 43 ]}

DNA損傷は、がんの主な根本原因であると考えられています。^{[ 44 ] [ 45 ]}正確なDNA修復が不十分な場合、DNA損傷は蓄積する傾向があります。このような過剰なDNA損傷は、エラーを起こしやすい損傷乗り越え合成により、 DNA複製中の突然変異エラーを増加させる可能性があります。過剰なDNA損傷は、DNA修復中のエラーによりエピジェネティックな変化も増加させる可能性があります。 ^{[ 46 ] [ 47 ]}このような突然変異とエピジェネティックな変化は、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アイランドの過剰/低メチル化は、がんへの進行の中心であると考えられます。

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、ヒトとチンパンジーにおいて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）を定義することができる。^{[ 48 ]}

非メチル化CpGジヌクレオチド部位は、ヒトの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B細胞上のToll様受容体9（ TLR9）^{[ 49 ]}によって検出される。これは細胞内ウイルス感染の検出に用いられる。

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）のコンテキストで起こり、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のグアニンを攻撃し、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します。塩基除去修復酵素OGG1は8-OHdGを標的とし、直ちに除去することなく損傷部位に結合します。5mCp-8-OHdG部位に存在するOGG1はTET1をリクルートし、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。^{[ 54 ]}

2018年にレビューされたように^{[ 55 ]} 、脳神経細胞では、5mCはテトラヒドロビオキシゲナーゼ（TET1、TET2、TET3 ）ファミリーによって酸化され、 5-ヒドロキシメチルシトシン（5hmC）が生成されます。TET酵素は連続的に5hmCをさらに水酸化して、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と5caCを認識し、グリコシド結合を切断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、5hmCは活性誘導シチジン脱アミノ化酵素/アポリポタンパク質B mRNA編集複合体（AID/APOBEC）脱アミノ化酵素によって酸化的に脱アミノ化されて5-ヒドロキシメチルウラシル（5hmU）を生成するか、5mCはチミン（Thy）に変換される。5hmUはTDG、一本鎖選択的単機能ウラシル-DNAグリコシラーゼ1（SMUG1）、Nei様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）によって切断される。その後、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）が生成される。

2 つのレビュー^{[ 56 ] [ 57 ]}は、記憶形成におけるROSの重要かつ不可欠な役割に関する膨大な証拠をまとめています。記憶形成中の数千の CpG 部位のDNA 脱メチル化は、 ROS による開始に依存しています。2016 年に Zhou ら^{[ 54 ]}は、ROS がDNA 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。しかし、TET1 は、ROS が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 に作用することができます (このセクションの最初の図を参照)。^{[ 54 ]} 5mCp-8-OHdG の形成後、塩基除去修復酵素OGG1は、直ちに除去することなく 8-OHdG 病変に結合します。OGG1 が 5mCp-8-OHdG 部位に結合するとTET1がリクルートされ、TET1 が 8-OHdG に隣接する 5mC を酸化できるようになります (このセクションの最初の図を参照)。これにより、このセクションの 2 番目の図に示す脱メチル化経路が開始されます。

ニューロンにおけるタンパク質発現の変化は、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、記憶形成の中心となる。^{[ 58 ]}

一般的に、ゲノムサイズとCpGアイランドの数には逆相関があり、ゲノムが大きいほど転移因子の数が多くなる傾向がある。メチル化によって発現が抑制されると、TEに対する選択圧が大幅に減少し、さらにTEは「メチル化中心」として機能し、隣接するDNAのメチル化を促進する。メチル化はヌクレオチド配列に対する選択圧を減少させるため、CpG部位の長期的なメチル化は、自発的なシトシンからチミンへの遷移の蓄積を増加させ、その結果、Cp部位の喪失につながる。^{[ 59 ]}