miniatura|Un lloc CpG, és a dir, la seqüència de nucleòtids 5'-C-fosfat-G-3', en una cadena d'ADN (en groc). A la cadena d'ADN inversa (en blau), es mostra el lloc complementari 5'—CpG—3'. També s'indica un aparellament de bases CG entre les dues cadenes d'ADN (dreta) Els llocs CpG o llocs CG són regions d'ADN on un nucleòtid de citosina és seguit per un nucleòtid de guanina en la seqüència lineal de bases al llarg de la seva direcció 5' → 3'. Els llocs CpG es produeixen amb alta freqüència en regions genòmiques anomenades illes CpG .
Les citosines dels dinucleòtids CpG es poden metilar per formar 5-metilcitosines . Els enzims que afegeixen un grup metil s'anomenen ADN metiltransferases. En els mamífers, entre el 70% i el 80% de les citosines CpG estan metilades. La metilació de la citosina dins d'un gen pot canviar la seva expressió, un mecanisme que forma part d'un camp de la biologia que estudia la regulació gènica que s'anomena epigenètica. Les citosines metilades sovint muten a timines.
En humans, vora el 70% dels promotors situats a prop del lloc d'inici de la transcripció d'un gen (promotors proximals) contenen una illa CpG.
Característiques dels CpG Definició CpG és l'abreviatura de 5'—C—fosfat—G—3, és a dir, citosina i guanina separades només per un grup fosfat; El fosfat uneix dos nucleòsids qualsevols en l'ADN. La notació CpG s'utilitza per distingir aquesta seqüència lineal monocatenària de l'aparellament de bases CG de citosina i guanina per a seqüències complementàries de doble cadena. Per tant, la notació CpG s'ha d'interpretar com que la citosina es troba a l'extrem 5' de la base de guanina. No s'ha de confondre CpG amb GpC, aquest últim significa que una guanina va seguida d'una citosina en la direcció 5' → 3' d'una seqüència monocatenària.
Omissió per una alta taxa de mutació Fa temps que s'ha observat que els dinucleòtids CpG es produeixen amb una freqüència molt menor en la seqüència de genomes de vertebrats del que s'esperaria a causa de l'atzar. Per exemple, en el genoma humà, que té un contingut de GC del 42%, s'espera que hi hagi un parell de nucleòtids formats per citosina seguit de guanina en un del genoma. Tanmateix, la freqüència dels dinucleòtids CpG en els genomes humans és inferior a una cinquena part de la freqüència esperada.
Aquesta infrarepresentació és conseqüència de l'elevada taxa de mutació dels llocs CpG metilats: la desaminació espontània d'una citosina metilada dona lloc a una timina, i les bases desajustades resultants (T:G) sovint es reparen incorrectament a T:A (en comptes de C:G); mentre que la desaminació de la citosina no metilada dona lloc a un uracil, que com a base estranya es substitueix ràpidament per una citosina pel mecanisme de reparació per excisió de bases . La velocitat de transició C a T als llocs CpG metilats és aproximadament 10 vegades més alta que als llocs no metilats.
Distribució genòmica Els dinucleòtids CpG es troben amb freqüència a les illes CpG (vegeu la definició d'illes CpG, a continuació). Hi ha 28.890 illes CpG al genoma humà, (50.267 si s'inclou illes CpG en seqüències repetides). Aquestes dades són compatibles amb les 28.519 illes CpG trobades per Venter et al. ja que el genoma analitzat per Venter et al. no incloïa l'interior d'elements repetitius molt similars i les regions repetitives extremadament denses a prop dels centròmers. Com que les illes CpG contenen múltiples seqüències de dinucleòtids CpG, sembla que hi ha més de 20 milions de dinucleòtids CpG al genoma humà.
Illes CpG Les illes CpG''' (o illes CG) són regions amb una alta freqüència de llocs CpG. Tot i que les definicions objectives de les illes CpG són limitades, la definició formal habitual és una regió amb almenys 200 pb, un percentatge de GC superior al 50% i una relació CpG observada/esperada superior al 60%. La "proporció de CpG observada sobre esperada" es pot estimar quan l'observat es calcula com: i l'esperat com o .
Molts gens dels genomes dels mamífers tenen illes CpG associades amb l'inici del gen (regions promotores) com a conseqüència de la pressió de selecció sobre aquells organismes amb mutacions de C a T, que poden alterar l'expressió d'aquests gens. Per això, la presència d'una illa CpG s'utilitza per ajudar en la predicció i anotació de gens. + Llocs CpG Llocs GpC428x428px425x425px Distribució dels llocs CpG (esquerra: en vermell) i llocs GpC (dreta: en verd) al gen APRT humà. Els CpG són més abundants a la regió upstream del gen, on formen una illa CpG, mentre que els GpC es distribueixen de manera més uniforme. S'indiquen els 5 exons del gen APRT (blau) i els codons d'inici (ATG) i de parada (TGA) es destaquen (blau negreta). En els genomes de mamífers, les illes CpG solen tenir una longitud d'entre 300 i 3.000 parells de bases i s'han trobat en prop del 40% dels seus promotors. Vora el 60% dels gens humans i gairebé tots els gens de manteniment cel·lular tenen els seus promotors enmig d'illes CpG.
Donada la freqüència de les seqüències de dos nucleòtids GC, el nombre de dinucleòtids CpG és molt inferior al que s'esperaria. Un estudi de 2002 va revisar les regles de predicció d'illes CpG per excloure altres seqüències genòmiques riques en GC com les repeticions Alu. L'estudi va incloure la revisió de les seqüències completes dels cromosomes humans 21 i 22. Es va concloure que les regions d'ADN superiors a 500 pb tenen més probabilitat de ser "veritables" illes CpG associades a les regions 5' dels gens si tenen un contingut de GC superior a 55% i una relació CpG observada-esperada del 65%. miniatura|Procés de pèrdua de llocs CpG per metilació i desaminació espontània. Com a resultat, es creen illes CpG residuals a zones on la metilació és rara i els llocs CpG s'enganxen (o on la mutació de C a T és molt perjudicial i no perdura generacionalment).Les illes CpG es caracteritzen per un contingut de dinucleòtids CpG d'almenys el 60% del que s'esperaria estadísticament (~ 4-6%), mentre que la resta del genoma té una freqüència CpG molt més baixa (~ 1%), un fenomen anomenat supressió de CG. A diferència dels llocs CpG a la regió codificant d'un gen, en la majoria dels casos els llocs CpG a les illes CpG dels promotors no es metilen si els gens s'expressen. Aquesta observació va conduir a la següent especulació: la metilació dels llocs CpG en el promotor d'un gen pot inhibir-ne la seva expressió (fet que pot ser subjecte a una forta pressió de selecció). La metilació, juntament amb la modificació de les histones, és fonamental per a la impressió. La majoria de les diferències de metilació entre els teixits, o entre les mostres normals i patològiques (com les del càncer), es produeixen a poca distància de les illes CpG (a les "ribes de les illes CpG") més que a les mateixes illes.
Les illes CpG solen trober-se a prop del lloc d'inici de la transcripció dels gens, especialment en els gens de manteniment cel·lular, en els vertebrats. Una base de C (citosina) seguida immediatament d'una base de G (guanina), un lloc CpG, és estrany en l'ADN dels vertebrats perquè les citosines en aquesta disposició tendeixen a estar metilades. Aquesta metilació ajuda a distingir una cadena d'ADN de nova síntesi de la cadena mare, fet que ajuda en les etapes finals de la correcció de proves d'ADN després de la duplicació. Tanmateix, amb el temps, les citosines metilades tendeixen a convertir-se en timines a causa de la desaminació espontània. Hi ha un enzim especial en humans (timina-ADN glicosilasa, o TDG) que substitueix específicament les T (timina) dels emparellaments erronis T/G. Tanmateix, a causa de la raresa dels llocs CpG, es teoritza que no és prou eficaç per prevenir una possible mutació ràpida dels dinucleòtids. L'existència d'illes CpG s'explica habitualment per l'existència de forces selectives per un contingut de CpG relativament elevat, o nivells baixos de metilació en aquella àrea genòmica, potser en relació amb la regulació de l'expressió gènica. Un estudi de 2011 va demostrar que la majoria de les illes CpG són el resultat de forces no selectives.
Metilació, silenciament, càncer i envelliment miniatura|Una imatge que mostra un hipotètic mecanisme evolutiu darrere de la formació d'illes CpG. Illes CpG en promotors En humans, vora el 70% dels promotors situats a prop del lloc d'inici de la transcripció d'un gen (promotors proximals) contenen una illa CpG.
Els promotors distals també contenen sovint illes CpG. Un exemple és el gen de reparació de l'ADN ERCC1, el promotor del qual es troba a uns 5.400 nucleòtids upstream del lloc d'inici de la transcripció del gen ERCC1. Les illes CpG també es produeixen amb freqüència en promotors d'ARN no codificants funcionals com els microARN.
La metilació de les illes CpG silencia els gens de manera estable En humans, la metilació de l'ADN es produeix a la posició 5 de l'anell de pirimidina dels residus de citosina dins dels llocs CpG per formar 5-metilcitosines. La presència de múltiples llocs CpG metilats a les illes CpG de promotors provoca un silenciament estable dels gens. El silenciament d'un gen pot ser induït per altres mecanismes, però sovint el segueix la metilació dels llocs CpG a l'illa CpG del promotor per provocar el silenciament estable del gen.
Hiper/hipometilació CpG dels promotors en càncer En càncer, la pèrdua d'expressió dels gens es produeix unes 10 vegades més freqüentment per hipermetilació de les illes CpG dels promotors que per mutacions. Per exemple, en un càncer colorectal sol haver-hi entre 3 i 6 mutacions conductores i de 33 a 66 mutacions passatgeres. En un estudi oncològic es van comparat tumors de còlon amb la mucosa adjacent (d'aspecte normal). Es van trobar 1.734 illes CpG molt metilades en tumors, mentre que aquestes illes CpG no estaven metilades a la mucosa adjacent. La meitat de les illes CpG es trobaven en promotors de gens codificants de proteïnes anotades, el que suggereix que uns 867 gens del tumor còlic han perdut l'expressió a causa de la metilació de l'illa CpG. Un altre estudi va trobar una mitjana de 1.549 regions metilades diferencialment (hipermetilades o hipometilades) en els genomes de sis càncers de còlon (en comparació amb la mucosa adjacent), de les quals 629 estaven en regions promotores de gens. Un tercer estudi va trobar més de 2.000 gens metilats de manera diferencial entre els càncers de còlon i la mucosa adjacent. Mitjançant l'anàlisi d'enriquiment de conjunts de gens, 569 de 938 conjunts de gens estaven hipermetilats i 369 estaven hipometilats en càncers. La hipometilació de les illes CpG en els promotors provoca una sobreexpressió dels gens o conjunts de gens afectats.
Un estudi de 2012 va publicar una llista de 147 gens amb promotors hipermetilats associats al càncer de còlon, juntament amb la freqüència amb què es van trobar aquestes hipermetilacions en càncers de còlon. Almenys 10 d'aquests gens tenien promotors hipermetilats en gairebé el 100% dels càncers de còlon. També van indicar 11 microARNs els promotors dels quals estaven hipermetilats en càncers de còlon a freqüències entre el 50% i el 100% dels càncers. De mitjana, cada microARN reprimeix diversos centenars de gens diana. Així, els microARN amb promotors hipermetilats poden permetre la sobreexpressió de centenars a milers de gens en un càncer.
La informació anterior mostra que, en els càncers, la hiper/hipometilació dels llocs CpG en els promotors genètics i dels microARN provoca la pèrdua d'expressió (o, de vegades, l'augment de l'expressió) de molts més gens que la mutació.
Gens reparadors d'ADN amb promotors hiper/hipometilats en càncers