DNA CpG (CpG DNA)

Tần suất xuất hiện

Trình tự dinucleotide CpG xuất hiện với tần suất thấp hơn nhiều so với dự kiến thống kê trong bộ gen của động vật có xương sống. Ví dụ, ở người, CpG chỉ chiếm khoảng 1% tổng số dinucleotide, trong khi xác suất của bất kỳ dinucleotide nào (bao gồm cả CpG) được hình thành ngẫu nhiên là khoảng 6.25% (1/16, giả định phân bố đều của 4 nucleotide A, T, C, G). Sự suy giảm này là do khả năng methyl hóa cytosine trong trình tự CpG thành 5-methylcytosine. Sự đột biến tự phát của 5-methylcytosine thành thymine cũng góp phần làm giảm tần suất CpG.

Methyl hóa CpG và vai trò của nó

Cytosine trong dinucleotide CpG có thể bị methyl hóa tạo thành 5-methylcytosine. Enzyme xúc tác phản ứng này được gọi là DNA methyltransferase (DNMT). Ở động vật có vú, 70-80% cytosine trong vùng CpG bị methyl hóa.

Sự methyl hóa CpG có vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gen. Nói chung, sự methyl hóa CpG trong vùng promoter của gen có liên quan đến việc ức chế phiên mã gen. Cơ chế này liên quan đến việc các protein gắn kết methyl-CpG (methyl-CpG-binding proteins – MBPs) liên kết với DNA methyl hóa, sau đó tuyển dụng các phức hợp protein làm biến đổi chromatin, dẫn đến sự nén chặt cấu trúc chromatin và ngăn cản bộ máy phiên mã tiếp cận DNA. Ngoài ra, bản thân methyl hóa CpG cũng có thể trực tiếp cản trở sự liên kết của một số yếu tố phiên mã với DNA.

Đảo CpG

“Đảo CpG” là những vùng trong bộ gen có mật độ CpG cao hơn so với mức trung bình của bộ gen. Chúng thường có độ dài khoảng từ 200 cặp base đến vài nghìn cặp base. Chúng thường nằm ở vùng promoter hoặc gần vùng promoter của gen và thường không bị methyl hóa. Trạng thái không methyl hóa này cho phép phiên mã gen diễn ra. Sự methyl hóa bất thường của đảo CpG có thể dẫn đến ức chế phiên mã gen, một hiện tượng thường quan sát thấy trong ung thư. Tiêu chí chính xác để định nghĩa đảo CpG không thống nhất hoàn toàn, nhưng một định nghĩa thường được sử dụng là vùng DNA có độ dài ít nhất 200 bp, hàm lượng GC lớn hơn 50%, và tỷ lệ CpG quan sát/CpG dự kiến lớn hơn 0.6.

Ý nghĩa trong bệnh học

Sự thay đổi trong kiểu methyl hóa CpG có liên quan đến nhiều bệnh, bao gồm ung thư. Sự methyl hóa quá mức đảo CpG trong vùng promoter của các gen ức chế khối u có thể dẫn đến sự bất hoạt của các gen này, góp phần vào sự phát triển của ung thư. Ngược lại, sự giảm methyl hóa toàn bộ bộ gen (hypomethylation) có thể dẫn đến mất ổn định bộ gen và cũng có thể góp phần vào quá trình hình thành ung thư.

Tóm tắt:

DNA CpG là một dinucleotide quan trọng với cytosine dễ bị methyl hóa. Sự methyl hóa CpG đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gen và liên quan đến nhiều quá trình sinh học, bao gồm phát triển và bệnh tật. Sự hiểu biết về vai trò của DNA CpG và methyl hóa của nó là rất quan trọng để hiểu các cơ chế phức tạp của bộ gen và bệnh tật.

Các kỹ thuật phân tích CpG

Một số kỹ thuật đã được phát triển để nghiên cứu methyl hóa CpG, bao gồm:

• Bisulfite sequencing: Đây là phương pháp tiêu chuẩn vàng để phân tích methyl hóa CpG ở độ phân giải đơn nucleotide. Xử lý bisulfite chuyển đổi cytosine không methyl hóa thành uracil, trong khi 5-methylcytosine vẫn không thay đổi. Sau đó, DNA được khuếch đại PCR và giải trình tự, cho phép xác định trạng thái methyl hóa của từng cytosine.
• Methylation-specific PCR (MSP): Kỹ thuật này sử dụng các cặp mồi đặc hiệu cho DNA methyl hóa hoặc không methyl hóa để khuếch đại các vùng CpG cụ thể. Phương pháp này nhanh và nhạy, nhưng chỉ cung cấp thông tin về trạng thái methyl hóa tại vùng được khuếch đại.
• Pyrosequencing: Phương pháp này cho phép định lượng methyl hóa CpG bằng cách đo lượng pyrophosphate được giải phóng trong quá trình kết hợp nucleotide. Đây là một kỹ thuật định lượng, nhưng độ phân giải không cao bằng bisulfite sequencing.
• ChIP-seq (Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing): Kỹ thuật này được sử dụng để xác định vị trí liên kết của các protein gắn kết methyl-CpG, cung cấp thông tin về các vùng DNA bị methyl hóa trên toàn bộ gen.

CpG và hệ thống miễn dịch

DNA CpG không methyl hóa có thể được hệ thống miễn dịch bẩm sinh của động vật có vú nhận ra như một dấu hiệu của nhiễm trùng do vi khuẩn hoặc virus, vì DNA của vi khuẩn và nhiều virus thường có hàm lượng CpG không methyl hóa cao hơn động vật có vú. Các thụ thể nhận dạng khuôn mẫu (Pattern recognition receptors – PRRs), cụ thể là Toll-like receptor 9 (TLR9), có thể liên kết với DNA CpG không methyl hóa và kích hoạt phản ứng miễn dịch. Tính chất kích thích miễn dịch này của DNA CpG không methyl hóa đã được khai thác trong việc phát triển các chất bổ trợ miễn dịch và liệu pháp miễn dịch cho ung thư và các bệnh nhiễm trùng.

Ứng dụng của nghiên cứu CpG

Nghiên cứu về CpG và methyl hóa CpG có nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm:

• Chẩn đoán và tiên lượng ung thư: Kiểu methyl hóa CpG có thể được sử dụng làm dấu ấn sinh học cho chẩn đoán sớm, tiên lượng và dự đoán đáp ứng điều trị ung thư.
• Phát triển thuốc: Nhắm mục tiêu vào các enzyme liên quan đến methyl hóa CpG, chẳng hạn như DNA methyltransferase, có thể là một chiến lược điều trị ung thư đầy hứa hẹn.
• Liệu pháp gen: Hiểu biết về vai trò của methyl hóa CpG trong điều hòa biểu hiện gen có thể giúp cải thiện hiệu quả và độ an toàn của liệu pháp gen.
• Vaccine: Các oligonucleotide CpG tổng hợp (ODN CpG) được sử dụng như tá dược vaccine để tăng cường đáp ứng miễn dịch.

• Bird, A. (2002). DNA methylation patterns and epigenetic memory. Genes & Development, 16(1), 6-21.
• Jones, P. A., & Baylin, S. B. (2002). The fundamental role of epigenetic events in cancer. Nature Reviews Genetics, 3(6), 415-428.
• Portela, A., & Esteller, M. (2010). Epigenetic modifications and human disease. Nature Biotechnology, 28(10), 1057-1068.
• Robertson, K. D. (2005). DNA methylation and human disease. Nature Reviews Genetics, 6(8), 597-610.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao trình tự CpG lại ít phổ biến hơn so với dự kiến thống kê trong bộ gen động vật có vú?

Trả lời: Sự suy giảm tần suất CpG là do sự dễ bị khử amin tự phát của 5-methylcytosine thành thymine. Quá trình này tạo ra đột biến chuyển đổi từ C sang T, dẫn đến giảm số lượng CpG theo thời gian tiến hóa.

Làm thế nào để các đảo CpG tránh bị methyl hóa trong khi hầu hết các CpG khác trong bộ gen lại bị methyl hóa?

Trả lời: Cơ chế chính xác vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng một giả thuyết cho rằng mật độ CpG cao trong các đảo CpG ngăn cản sự liên kết của các protein gắn kết methyl-CpG, do đó bảo vệ các vùng này khỏi methyl hóa. Một giả thuyết khác cho rằng các yếu tố phiên mã và các protein liên kết DNA khác có thể cạnh tranh với các protein gắn kết methyl-CpG để liên kết với DNA ở đảo CpG, ngăn chặn methyl hóa.

Ngoài ung thư, methyl hóa CpG còn liên quan đến những bệnh nào khác?

Trả lời: Methyl hóa CpG bất thường có liên quan đến một loạt các bệnh, bao gồm các bệnh tự miễn (như lupus ban đỏ hệ thống), các bệnh thần kinh (như bệnh Alzheimer), bệnh tim mạch và tiểu đường.

Làm thế nào DNA CpG không methyl hóa có thể được sử dụng trong liệu pháp miễn dịch?

Trả lời: Các đoạn DNA CpG tổng hợp không methyl hóa, được gọi là oligonucleotide CpG, có thể được sử dụng làm chất bổ trợ miễn dịch để tăng cường phản ứng miễn dịch đối với vắc xin. Chúng cũng đang được nghiên cứu như một liệu pháp điều trị ung thư, bằng cách kích hoạt hệ thống miễn dịch để tấn công các tế bào khối u.

Kỹ thuật bisulfite sequencing có những hạn chế nào?

Trả lời: Mặc dù bisulfite sequencing là một kỹ thuật mạnh mẽ, nhưng nó cũng có một số hạn chế. Thứ nhất, nó có thể làm phân hủy DNA, dẫn đến giảm sản lượng DNA. Thứ hai, nó không thể phân biệt giữa 5-methylcytosine và 5-hydroxymethylcytosine, một dạng biến đổi cytosine khác. Cuối cùng, nó có thể tốn kém và tốn thời gian.