CpG-Insel

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CpG-Inseln (engl.: CpG islands) sind Regionen im Genom von Eukaryoten mit statistisch erhöhter CpG-Dinukleotid-Dichte. Diese Dichte wird auf die Einzelnukleotid- und Dinukleotidfrequenzen im gesamten betrachteten Genomausschnitt bezogen. CpG bedeutet Cytosin-phosphatidyl-Guanin. Das p wird mit angegeben, um besser zwischen dem hier gemeinten CG innerhalb eines DNA-Strangs (=DNA-Molekülen) und der CG-Basenpaarung eines DNA-Doppelstranges zu unterscheiden. Denn p steht hierbei für die Phosphodiesterbindung zwischen den Nukleosiden Cytidin und Guanosin. CpG-Inseln sind als DNA-Abschnitte von 0,5 kb bis 2 kb Länge innerhalb des eukaryotischen Promotors definiert, die einen erhöhten GC-Gehalt von über 60 % aufweisen. Der GC-Gehalt des Gesamtgenoms liegt bei 41 %. CpG-Inseln entstehen durch Mechanismen, die mit der Nutzung der Erbsubstanz als Informationsträger zu tun haben. Dadurch sind CpG-Inseln wichtige Markierungen, die z. B. für die Genetik, Medizin und Bioinformatik Bedeutung haben.

Sie sind nicht zu verwechseln mit der GC-Box, die 60–100 bp vor Beginn des Transkripts liegt.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Säugetieren sind je nach Spezies zwischen 2 % und 7 % der Cytosine einer Zelle methyliert. Etwa 70 bis 85 % der CpG-Dinukleotide in Säugern sind methyliert,[1][2] während CpG-Inseln überwiegend unmethyliert sind,[3] wodurch die Genexpression epigenetisch reguliert wird.[4] Etwa 5 % der CpG-Dinukleotide liegen in einer der 20.000 CpG-Inseln in Genomen von Säugern.[2] Die Hälfte der CpG-Inseln liegt bei Säugern in Haushaltsgenen.[2] Etwa 40 % der Promotoren in Säugetieren besitzen eine CpG-Insel.[5]

Meist sind es die Cytosine aus 5'-CpG-3' Dinukleotiden, die auf beiden komplementären DNA-Strängen eine Methylgruppe tragen, wodurch ein palindromisches Methylierungsmuster entsteht. Sind zwei Cytosine in dieser Konstellation methyliert, bewirken sie zusammen eine Veränderung der dreidimensionalen Struktur in der großen Furche der Doppelstrang-DNA.

Der durchschnittliche GC-Gehalt beim Menschen beträgt 41 %, womit das Dinukleotid CpG rechnerisch mit einer Häufigkeit von 4 % im Genom vorliegen sollte. Tatsächlich sind aber CpG-Dinukleotide mit 0,8 % stark unterrepräsentiert, was hauptsächlich mit der relativ spontanen Reaktion von 5-Methylcytosin zu Thymin durch Desaminierung zu erklären ist (s. Erklärung und Abbildung weiter unten). Damit ist die CpG-Dinukleotiddichte in CpG-Inseln 10–20 mal höher als in anderen Bereichen des durchschnittlichen Genoms von Wirbeltieren. Im Vergleich zu anderen Dinukleotiden, wie beispielsweise GpC, ApT oder TpA, kommt dem CpG-Dinukleotid in vielen eukaryotischen Organismen eine Sonderstellung zu, da dessen Häufigkeit die CpG-Inseln definiert. Diese spielen bei der Genregulation eine tragende Rolle, da CpG-Inseln in Wirbeltieren gehäuft in der Nähe von Promotoren auftreten, insbesondere bei Haushaltsgenen.[6]

CpG-Inseln werden auch zur Regulation der Genexpression verwendet, und sind damit ein Mechanismus der epigenetischen Genregulation. Methylierung der CpG-Inseln eines Genes bedeutet, dass diese Gene nicht abgelesen werden (Genrepression). Circa 40–45 % aller menschlichen Gene haben CpG-Inseln in ihren Promotorbereichen.[7]

Methylierung von CpG-Inseln spielt sowohl in der Entstehung von Krebs (als Mechanismus zum Abschalten von Tumorsuppressorgenen) als auch bei der genomischen Prägung eine Rolle. In Tumoren findet sich oftmals eine allgemeine Untermethylierung der Cytosine in CpG-Dinukleotiden und eine Übermethylierung in CpG-Inseln bestimmter Tumorsuppressorgene.[8]

Die beiden Cytosine in einem CpG-Dinukleotid sind im menschlichen Genom meist methyliert (DNA-Methylierung). In einigen Bereichen wird die Methylierung dauerhaft unterdrückt. Häufig sind diese Bereiche CpG-Inseln und liegen oft vor Genen (den sogenannten Promotorbereichen). Die CpG dieser Regionen sind meist nicht methyliert und entgehen dadurch einem Mutationsdruck, der nachfolgend beschrieben wird:

Cytosine sind chemisch labil. Sie können in der Zelle einer Desaminierung (aus –NH2 wird =O) unterliegen. Aus methyliertem Cytosin wird dabei Thymin, aus unmethyliertem Cytosin (z. B. in den CpG-Inseln) wird Uracil. Während Thymidin eine „normale“ Nukleobase der DNA ist, gehört Uracil nicht in die DNA. Uracil – eigentlich eine RNA-Base – wird sehr gut erkannt und durch Cytosin ersetzt. Die DNA-Reparaturmechanismen der Zelle nehmen das auf dem gegenüberliegenden DNA-Strang vorhandene Guanosin als Grundlage der Fehlerkorrektur. In den methylierten CpG-Dinukleotiden entsteht durch die Desaminierung hingegen Thymidin. Dieser „Fehler“ wird wesentlich häufiger toleriert als Uracil und führt zu einer dauerhaften Mutation.

Das folgende Schema zeigt die möglichen Mutationen durch Desaminierung und die Folgen durch Reparatur der DNA bzw. durch dauerhafte Etablierung von Mutationen.

                   1.                   2.                        3. 
                                                                |
     Methyliert:                                                |
       m                                                        |     m
a)   --CpG--  Desaminierung  --TpG--  häufig       --CpG--      | → --CpG--
     --GpC--                 --GpC--               --GpC--      |   --GpC--
         m                       m                     m        |       m
                                                                |
                                                                |
b)                                    selten       --TpG--      | → --TpG--
                                                   --ApC--      |   --ApC--
                                                       m        |
     Unmethyliert:                                              |
                                                                |
c)   --CpG--  Desaminierung  --UpG--  sehr häufig  --CpG--      | 
     --GpC--                 --GpC--               --GpC--      |
                                                                |
                                                                |
                                                                |
d)                                    sehr selten  --UpG--      | → --TpG--
                                                   --ApC--      |   --ApC--
                                                                |

Legende zum Schema: Dargestellt sind zwei CpG-Dinukleotide, von denen eins sich in einem methylierten Bereich befindet [a) und b)], während das andere in einem unmethylierten Bereich – z. B. einer CpG-Insel – lokalisiert ist [c) und d)]. Die "auffälligen" Nukleobasen sind fett hervorgehoben.

1. Eine Desaminierung führt zu einem neuen Dinukleotid, in welchem die komplementäre Basenpaarung aufgehoben ist.

2. Für die nachfolgende Wiederherstellung der komplementären Basenpaarung stehen jeweils zwei Varianten zur Verfügung, die mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit verlaufen. Der Unterschied zwischen a) und b) mit häufig und selten kommt dadurch zustande, dass der gegenüberliegende Strang eine Methylierung des CpG aufweist. Dadurch wird dieser Strang in diesem Bereich vom DNA-Reparatursystem als „älterer“, konservierter Strang verstanden. Der größere Unterschied zwischen c) und d) mit sehr häufig und sehr selten geht darauf zurück, dass Uracil keine DNA-Base ist.

3. Im Anschluss an die mutativen Ereignisse werden gegebenenfalls falsche Methylierungen oder Nukleobasen ersetzt.

Bioinformatische Analyse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verschiedene Algorithmen zur Identifikation von CpG-Inseln wurden beschrieben.[9]

Auffinden von CpG-Inseln mit Hilfe von Markow-Ketten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bezeichnet die Anzahl der st-Paare auf CpG-Inseln und sonst (nicht CpG-Inseln) mit . Die Übergangswahrscheinlichkeiten werden über Maximum Likelihood berechnet: und Die Bestimmung basiert auf Sequenzabschnitten, von denen man weiß, ob es sich um CpG-Inseln handelt oder nicht. Gegeben sei nun eine unbekannte Sequenz X. Frage: "Handelt es sich um eine CpG-Insel?" Bezeichnungen:

  • P(+|X) Wahrscheinlichkeit, dass X CpG-Insel
  • P(-|X) Wahrscheinlichkeit, dass X keine CpG-Insel

Zusätzlich wird eine Score-Funktion definiert:

Als "Prior" wird die Gesamtlänge aller CpG-Inseln relativ zur Gesamtlänge des Genoms verwendet.

Auffinden von CpG-Inseln mit Hilfe des Hidden Markov Modells[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als sichtbare Zustände bezeichnet man hierbei die Basen (G,C,A,T) an den jeweiligen Stellen in der DNA-Sequenz. Der nicht-sichtbare Zustand sagt etwas darüber aus, ob diese Base Teil einer CpG-Insel ist oder nicht (+,-). Es gibt 4 mögliche Übergangswahrscheinlichkeiten:

.

Jeder versteckte Zustand s erzeugt mit einer Emissionswahrscheinlichkeit einen sichtbaren Zustand b (eine Base):

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein sichtbarer Zustand von einem versteckten Zustand emittiert wurde, ergibt sich demnach aus:

mit: (s. Markow-Kette)

Damit ergibt sich:

Da der Aufwand zur Maximierung von P(Z | X) mit der Länge der Sequenz exponentiell steigt, eignet sich der rekursive Viterbi-Algorithmus zur Lösung des Problems.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. K. Jabbari, G. Bernardi: Cytosine methylation and CpG, TpG (CpA) and TpA frequencies. In: Gene. Band 333, Mai 2004, S. 143–149, doi:10.1016/j.gene.2004.02.043, PMID 15177689.
  2. a b c R. Chatterjee, C. Vinson: CpG methylation recruits sequence specific transcription factors essential for tissue specific gene expression. In: Biochimica et biophysica acta. Band 1819, Nummer 7, Juli 2012, S. 763–770, doi:10.1016/j.bbagrm.2012.02.014, PMID 22387149, PMC 3371161 (freier Volltext).
  3. A. M. Deaton, A. Bird: CpG islands and the regulation of transcription. In: Genes & development. Band 25, Nummer 10, Mai 2011, S. 1010–1022, doi:10.1101/gad.2037511, PMID 21576262, PMC 3093116 (freier Volltext).
  4. J. A. Law, S. E. Jacobsen: Establishing, maintaining and modifying DNA methylation patterns in plants and animals. In: Nature reviews. Genetics. Band 11, Nummer 3, März 2010, S. 204–220, doi:10.1038/nrg2719, PMID 20142834, PMC 3034103 (freier Volltext).
  5. M. Fatemi, M. M. Pao, S. Jeong, E. N. Gal-Yam, G. Egger, D. J. Weisenberger, P. A. Jones: Footprinting of mammalian promoters: use of a CpG DNA methyltransferase revealing nucleosome positions at a single molecule level. In: Nucleic acids research. Band 33, Nummer 20, 2005, S. e176, doi:10.1093/nar/gni180, PMID 16314307, PMC 1292996 (freier Volltext).
  6. S. Saxonov, P. Berg, D. L. Brutlag: A genome-wide analysis of CpG dinucleotides in the human genome distinguishes two distinct classes of promoters. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 103, Nummer 5, Januar 2006, S. 1412–1417, doi:10.1073/pnas.0510310103, PMID 16432200, PMC 1345710 (freier Volltext).
  7. Rolf Knippers: Molekulare Genetik. 9., komplett überarbeitete Auflage. Stuttgart, 2006, S. 340.
  8. D. Sproul, R. R. Meehan: Genomic insights into cancer-associated aberrant CpG island hypermethylation. In: Briefings in functional genomics. Band 12, Nummer 3, Mai 2013, S. 174–190, doi:10.1093/bfgp/els063, PMID 23341493, PMC 3662888 (freier Volltext).
  9. Z. Zhao, L. Han: CpG islands: algorithms and applications in methylation studies. In: Biochemical and biophysical research communications. Band 382, Nummer 4, Mai 2009, S. 643–645, doi:10.1016/j.bbrc.2009.03.076, PMID 19302978, PMC 2679166 (freier Volltext).