ตำแหน่ง CpG กลไกการควบคุมการแสดงออกของยีนและอีพิเจเนติกส์

ตำแหน่ง CpG (CpG site) หรือตำแหน่ง CG คือบริเวณของ DNA ที่มีนิวคลีโอไทด์ชนิดไซโตซีน (Cytosine) ตามด้วยนิวคลีโอไทด์ชนิดกวานีน (Guanine) ตามลำดับในทิศทาง 5' ไป 3' ของสาย DNA ตำแหน่งเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในทางชีววิทยาโมเลกุล เนื่องจากเป็นจุดหลักที่เกิดกระบวนการเติมหมู่เมทิล (Methylation) ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการควบคุมการทำงานของยีนโดยไม่เปลี่ยนแปลงลำดับเบสของ DNA

ลักษณะทางชีวเคมีของ CpG

คำจำกัดความและการเรียกชื่อ

คำว่า CpG เป็นตัวย่อที่หมายถึง 5'—C—phosphate—G—3' โดยที่ตัว 'p' หมายถึงหมู่ฟอสเฟตที่เชื่อมระหว่างนิวคลีโอไซด์สองตัวในสาย DNA การใช้สัญลักษณ์ CpG นี้มีความสำคัญเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างลำดับเบสบนสายเดี่ยว (Linear sequence) กับการจับคู่เบสระหว่างไซโตซีนและกวานีน (C-G base pairing) ใน DNA สายคู่

ดังนั้น CpG จึงหมายถึงไซโตซีนที่อยู่ตำแหน่ง 5 prime เทียบกับกวานีน ซึ่งแตกต่างจาก GpC ที่หมายถึงกวานีนตามด้วยไซโตซีนในทิศทาง 5' ไป 3'

อัตราการกลายพันธุ์และการลดจำนวนลงในจีโนม

ในจีโนมของสัตว์มีกระดูกสันหลัง พบว่าลำดับ CpG มีความถี่ต่ำกว่าที่ควรจะเป็นหากคำนวณตามหลักความน่าจะเป็นทางสถิติ ตัวอย่างเช่น ในจีโนมมนุษย์ที่มีปริมาณ GC content ประมาณ 42% ค่าความถี่ที่คาดหวังของ CpG ควรอยู่ที่ประมาณ 4.41% แต่ในความเป็นจริงกลับพบต่ำกว่าหนึ่งในห้าของค่าที่คาดหวัง

สาเหตุหลักของการลดจำนวนนี้เกิดจาก อัตราการกลายพันธุ์ที่สูง ของตำแหน่ง CpG ที่ถูกเติมหมู่เมทิล (Methylated CpG) โดยกระบวนการ Deamination ของ 5-methylcytosine จะเปลี่ยนไซโตซีนให้กลายเป็นไทมีน (Thymine) ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนคู่เบสจาก C:G เป็น T:A ในขณะที่ไซโตซีนที่ไม่ได้ถูกเติมหมู่เมทิลจะเปลี่ยนเป็นยูราซิล (Uracil) ซึ่งร่างกายมีกลไก Base Excision Repair ในการกำจัดและเปลี่ยนกลับเป็นไซโตซีนได้อย่างรวดเร็ว

การเติมหมู่เมทิลและการควบคุมยีน (DNA Methylation)

ไซโตซีนในตำแหน่ง CpG สามารถถูกเติมหมู่เมทิลโดยเอนไซม์ DNA methyltransferases กลายเป็น 5-methylcytosine ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม พบว่าไซโตซีนในตำแหน่ง CpG ประมาณ 70% ถึง 80% ถูกเติมหมู่เมทิล

กระบวนการนี้เป็นส่วนหนึ่งของ อีพิเจเนติกส์ (Epigenetics) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนโดยไม่เปลี่ยนลำดับเบส การเติมหมู่เมทิลในบริเวณโปรโมเตอร์ (Promoter) ของยีนมักจะส่งผลให้ยีนนั้น "ปิด" หรือลดการแสดงออกลง นอกจากนี้ ข้อมูลการเติมหมู่เมทิลยังสามารถถ่ายทอดไปยังเซลล์ลูกหลานได้ในระหว่างการแบ่งเซลล์ เนื่องจากข้อมูลนี้ปรากฏอยู่บน DNA ทั้งสองสาย (สายคู่สมมติ GpC ก็จะถูกเติมหมู่เมทิลด้วย)

เกาะ CpG (CpG Islands)

เกาะ CpG (CpG islands) คือบริเวณของจีโนมที่มีความถี่ของตำแหน่ง CpG สูงกว่าปกติ ซึ่งมักมีความยาวตั้งแต่ 300 ถึง 3,000 คู่เบส

เกณฑ์มาตรฐานในการระบุเกาะ CpG คือบริเวณที่มีความยาวอย่างน้อย 200 คู่เบส มีเปอร์เซ็นต์ GC มากกว่า 50% และมีอัตราส่วน CpG ที่สังเกตได้ต่อค่าที่คาดหวัง (Observed-to-expected ratio) มากกว่า 60%

ในมนุษย์ ประมาณ 70% ของโปรโมเตอร์ที่อยู่ใกล้จุดเริ่มต้นการถอดรหัส (Transcription start site) มีเกาะ CpG รวมทั้งยีนพื้นฐาน (House-keeping genes) เกือบทั้งหมดมีโปรโมเตอร์ที่ฝังอยู่ในเกาะ CpG การระบุตำแหน่งเหล่านี้จึงเป็นเครื่องมือสำคัญในการทำนายและระบุตำแหน่งของยีนในจีโนม

สูตรการคำนวณอัตราส่วน CpG

การคำนวณค่าที่คาดหวัง (Expected) ของ CpG สามารถทำได้หลายวิธี ดังนี้:

• วิธีที่ 1: (จำนวน C × จำนวน G) / ความยาวของลำดับเบส
• วิธีที่ 2: ((จำนวน C + จำนวน G) / 2)² / ความยาวของลำดับเบส