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Die chemische Struktur der DNA. Blau, Rot, Grün und Violett: Basen. Orange: Desoxyribosegruppe. Gelb: Phosphatgruppe. Die doppelten und dreifachen Wasserstoffbrückenbindungen sind durch gepunktete Linien gekennzeichnet. Die 3' und 5' Enden der "Stacheln" sind ebenfalls markiert

Hinweis (blau) auf 2 Phosphodiesterbindungen in der DNA.

CpG-Inseln (dt.: CpG-Inseln) sind Bereiche in der Genom von Eukaryoten jetzt sofort statistisch höhere CpG-Dinukleotiddichte. Dichte bezieht sich auf das Auftreten von Nukleotide– und Dinukleotide im gesamten Genomteil. CpG bedeutet CYtosin-phosphatidyc-Guanin. Das p (auf Niederländisch f für Phosphat) wird angezeigt, um besser zwischen dem CG-Gehalt eines DNA-Strangs und der CG-Basenpaarung von a . unterscheiden zu können DNA-Doppelstrang. Das p steht hier für die Phosphodiesterbindung zwischen den NukleosideCytidin und Guanosin. Eine CpG-Stelle (CpG-Dinukleotid) ist eine Region, in der a Cytosin gefolgt von a Guanin in Richtung 5' → 3'. CpG-Inseln sind DNA-Abschnitte mit einer Länge von eukaryotischer Promoter von 0,5 kb bis 2 kb Basenpaare und dass ein erhöhter GC-Inhalt mehr als 60 % haben. Der GC-Inhalt des Ganzen Genom beträgt 41 %. CpG-Inseln entstehen durch Mechanismen, die mit der Nutzung des Genmaterials als Informationsträger zusammenhängen.

Ein Stück DNA mit CpG Stellen (CpG-Dinukleotide) auf einem Strang und auf dem anderen Strang können wie folgt dargestellt werden:

Die CG untereinander ist eine Basenpaarung.

CpG-Inseln sind wichtige Marker beispielsweise für die Genetik, Medizin und Bioinformatik.

Eigenschaften

Biene Säugetiere je nach Spezies 2% bis 7% Cytosin in einer Zelle methyliert und etwa 70 bis 85% der CpG-Dinukleotide,^[1][2] während CpG-Inseln überwiegend unmethyliert sind,^[3] welcher verursacht Genexpressionepigenetisch geregelt ist.^[4] Etwa 5% der CpG-Dinukleotide befinden sich in einer der 20.000 CpG-Inseln eines Säugetiergenoms.^[2] Die Hälfte der CpG-Inseln befinden sich in Säugetieren in Haushaltsgene.^[2] Etwa 40% der Promoter in Säugetieren haben eine CpG-Insel.^[5]

Am häufigsten sind es die Cytosine der 5'-CpG-3'-Dinukleotide, die auf beiden komplementären DNA-Strängen ein Gen aufweisen. Methylgruppe haben, verursachen a palindromartig Methylierung tritt auf. Werden die beiden Cytosine in dieser Anordnung methyliert, ändert sich die dreidimensionale Struktur in der großen Furche des DNA-Doppelstrangs.

Der durchschnittliche GC-Gehalt beim Menschen beträgt 41%, was rechnerisch bedeutet, dass das Dinukleotid CpG im Genom zu 4% vorkommt. CpG-Dinukleotide sind mit 0,8% stark unterrepräsentiert, hauptsächlich aufgrund der relativ spontanen Umwandlung von 5-Methylcytosin im Thymin (Desaminierung) (Erklärung siehe Bild unten). Dadurch ist die CpG-Dinukleotiddichte in den CpG-Inseln 10–20 mal höher als in anderen Regionen des Genoms von Wirbeltiere. Im Vergleich zu anderen Dinukleotiden wie beispielsweise GpC, ApT oder TpA bildet sich das CpG-Dinukleotid in vielen eukaryotische Organismen eine Ausnahme. Sie spielen im Genregulation eine unterstützende Rolle, da Wirbeltier-CpG-Inseln oft in unmittelbarer Nähe zu Promoter kommen vor allem in Haushaltsgenen vor.^[6]

CpG-Inseln werden auch bei der Regulation der Genexpression verwendet und sind somit ein Mechanismus für die epigenetische Genregulation. Die methylierten CpG-Inseln erkennt man an dem EnzymHiston-Acetyltransferase (HÜTE). Die Methylierung der CpG-Inseln eines Gens führt dazu, dass dieses Gen nicht gelesen werden kann (Genrepression). Etwa 40–45 % aller menschlichen Gene haben CpG-Inseln in der Promotorregion.^[7]

Die Methylierung von CpG-Inseln spielt eine Rolle, sowohl bei der Bildung von Krebs (als Mechanismus zum Blockieren Tumorsuppressorgene), sowie mit dem genomische Prägung eine Rolle. Im Tumore häufige Untermethylierung von Cytosin in den CpG-Dinukleotiden und Übermethylierung in den CpG-Inseln bestimmter Tumorsuppressorgene.^[8]

Die beiden Cytosine in einem CpG-Dinukleotid sind die am stärksten methylierten im menschlichen Genom (DNA-Methylierung). In einigen Bereichen wird die Methylierung kontinuierlich unterdrückt. Oft sind diese Bereiche CpG-Inseln und liegen oft vor den Genen (die sogenannten Promoter-Bereiche). Die CpG dieser Regionen sind in der Regel unmethyliert und haben daher a Mutationsdruck, die wie folgt beschrieben wird:

Cytosine sind chemisch labil. Sie können einer Desaminierung (–NH2 wird durch =O ersetzt) ​​in der Zelle zugrunde liegen. Methyliertes Cytosin wird in Thymin umgewandelt und unmethyliertes Cytosin (z.B. auf den CpG-Inseln) ist uracil. Während Thymidin eine „normale“ Nukleobase der DNA ist, gehört Uracil nicht in die DNA. Uracil – eigentlich eine Basis davon RNA – wird von Cytosin sehr gut erkannt und umgesetzt. Die DNA-Reparaturmechanismen der Zelle nehmen das Guanosin aus dem gegenüberliegenden DNA-Strang als Grundlage für die Fehlerkorrektur. Bei den methylierten CpG-Dinukleotiden wird dagegen durch Desaminierung Thymidin gebildet. Dieser „Fehler“ wird häufiger toleriert als Uracil und führt zu einer dauerhaften Mutation.

Das folgende Diagramm zeigt die möglichen Veränderungen durch Desaminierung und die Folgen einer Reparatur der DNA bzw. permanenter Mutationen.

Eine Methylierung von CpG-Stellen gefolgt von einer spontanen Desaminierung führt zu einem Mangel an CpG-Stellen in methylierter DNA. Infolgedessen treten restliche CpG-Inseln in Regionen auf, in denen eine geringe Methylierung vorliegt (oder in denen eine Mutation von C zu T sehr schädlich ist).

                   1.                   2.                        3.                                                                 |     Methyliert:                                              | m | ma) --CpG-- Desaminierung --TpG -- oft --CpG-- | → --CpG-- --GpC-- --GpC-- --GpC-- | --GpC-- m m m | m | |b) selten --TpG-- | → --TpG-- --ApC-- | --ApC-- m | Nicht methyliert:                                         | |c) --CpG-- Desaminierung --SIEpG-- sehr häufig --CpG-- | --GpC-- --GpC-- --GpC-- | | | |d) sehr selten --SIEpG-- | → --TpG-- --ApC-- | --ApC-- |

Legende zum Fahrplan: Es gibt zwei CpG-Dinukleotide, von denen eines methyliert sein kann (m) [ein) und b)], während der andere nicht methyliert werden kann – z.B. eine CpG-Insel – [c) und d)]. Die Biene 2) wechselnde Nukleobasen sind fett markiert.

1. Eine Desaminierung liefert ein neues Dinukleotid, dessen komplementäre Basenpaarung aufgebrochen wurde.

2. Für die nachträgliche Wiederherstellung der komplementären Basenpaarung gibt es zwei Möglichkeiten, die mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Der Unterschied zwischen ein) und b) mit häufig und selten Dies liegt daran, dass der Gegenstrang CpG methyliert. Daher wird dieser Strang als "älterer", konservierter Strang im DNA-Reparatursystem angesehen. Der größere Unterschied zwischen c) und d) mit sehr oft und sehr selten basiert auf der Tatsache, dass Uracil keine DNA-Base ist.

3. Nach der resultierenden Mutation werden falsche Methylierungen oder Nukleobasen ersetzt.

Bioinformatische Analyse

Mehrere Algorithmen zur Identifizierung von CpG-Inseln beschrieben.^[9]

Identifizieren von CpG-Inseln mithilfe der Markov-Kette

${displaystyle C_{st}^{ }}$ gibt die Anzahl der St-Paare auf den CpG-Inseln an und ${displaystyle C_{st}^{-}}$ andere (keine CpG-Inseln) mit ${displaystyle s,tin {A,C,G,T}}$. Die Übergangswahrscheinlichkeiten werden mit wahrscheinlicher Schätzer berechnet:${displaystyle a_{st}^{ }={frac {C_{st}^{ }}{sum _{t'}^{}C_{st'}^{ }}}}$ und ${displaystyle a_{st}^{-}={frac {C_{st}^{-}}{sum _{t'}^{}C_{st'}^{-}}}}$ Die Bestimmung basiert auf Sequenzabschnitten, von denen bekannt ist, dass sie CpG-Inseln sind oder nicht.

Gegeben ist nun eine unbekannte Folge X.

Frage: "Ist es eine CpG-Insel?"

• P( |X) ist die Wahrscheinlichkeit, dass X eine CpG-Insel ist
• P(-|X) ist die Wahrscheinlichkeit, dass X keine CpG-Insel ist

Dazu wird eine Score-Funktion definiert:${displaystyle S(X):=log left({frac {P( |X)}{P(-|X)}}ight)={ egin{cases}>0,&{mbox{wenn es eine CpG-Insel ist is}}/<0,&{mbox{wenn keine CpG-Insel}}/=0&{mbox{keine Entscheidung}}end{cases}}}$

Als "prior" (vermutete Wahrscheinlichkeit) wird die Gesamtlänge aller CpG-Inseln relativ zur Gesamtlänge des Genoms verwendet.

Identifizierung von CpG-Inseln mithilfe der using Hidden-Markov-Modell

Als beobachtbare Parameter werden die Basen (G,C,A,T) an jeder Position in der DNA-Sequenz verwendet. Der versteckte Parameter sagt etwas darüber aus, ob dieser Basisteil eine CpG-Insel ist oder nicht ( ,-).

Es gibt 4 mögliche Übergangswahrscheinlichkeiten:

${Anzeigestil a_{st}=P(Z_{i}=t|Z_{i 1}=s)}$${displaystyle s,tin {,-}}$.

Jeder versteckte Parameter s ergibt eine Emissionswahrscheinlichkeit ${displaystyle e_{s}(b)}$ eines beobachtbaren Parameters b (eine Basis) auf:

${Anzeigestil e_{s}(b)=P(X_{i}=b|Z_{i}=s)}$

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein beobachtbarer Parameter mit einem versteckten Parameter verwechselt wird, ergibt:${Anzeigestil P(Z|X)=P(X|Z)*P(Z)/P(X)}$

mit: ${Anzeigestil P(Z)=P(Z_{1}){prod_{i=2}^{N}{a_{Z_{i-1}}*Z_{i}}}=}$${displaystyle prod _{i=1}^{N}{a_{Z_{i-1}}*a_{Z_{i}}}}$ (sehen Markov-Kette)

Das gibt:${displaystyle P(Z|X)={frac {prod_{i=1}^{N}{a_{Z_{i-1}}*a_{Z_{i}}}*prod_{i=1} ^{N}{e_{Z}(X_{i})}}{P(X)}}}$

Da der Aufwand zur Maximierung von P(Z | X) exponentiell mit der Länge der Folge ansteigt, ist rekursivViterbi-Algorithmus geeignet, um das Problem zu lösen.