ヒトゲノムとアカゲザルゲノムの比較解析により明らかになったCpGアイランドプロモーターの多様性

Diversification of CpG-Island Promoters Revealed by Comparative Analysis Between Human and Rhesus Monkey Genomes.

• Saki Aoto
• Mayu Fushimi
• Kei Yura
• Kohji Okamura

抄録

CpGジヌクレオチドは、哺乳類ゲノム中の他のジヌクレオチドと比較して著しく減少しているが、CpGジヌクレオチドは集まってCpGアイランドを形成することができ、これは遺伝子の5'領域の周囲に局在し、プロモーターとして機能している。CpGアイランドプロモーターは一般にメチル化されておらず、ハウスキーピング遺伝子に多く見られる。しかし、そのヌクレオチド配列や存在自体は、ヒトとマウスの間では保存されておらず、これは進化による調節領域の獲得と喪失によるものと考えられている。本研究では、適度に保存された配列を持つヒトゲノムとアカゲザルゲノムを塩基配列で比較した。転写開始部位のデータを用いて、まず、我々の方法が直交するプロモーターを同定する能力を検証し、NCBI RefSeqなどのキュレーションされた遺伝子モデルの5'末端を転写開始部位として使用することに限界があることを示した。我々は、CpGジヌクレオチドの変異には、脱アミノ化変異に加えて、塩基、繰り返し、および長い断片の挿入および欠失が寄与していることを見出した。また、CpGが乏しい環境ではG+C含量が変化する傾向があり、G+Cが豊富な環境ではCpG含量が変化することが観察された。CpG島の消失はCpG部位の減少によって起こるが、CpG島の獲得には2つの異なるヌクレオチド変化のステップが必要であることがわかった。以上の結果から、脊椎動物におけるCpGアイランドプロモーターの獲得と多様化の過程について、新たな知見を得ることができた。

While CpG dinucleotides are significantly reduced compared to other dinucleotides in mammalian genomes, they can congregate and form CpG islands, which localize around the 5' regions of genes, where they function as promoters. CpG-island promoters are generally unmethylated and are often found in housekeeping genes. However, their nucleotide sequences and existence per se are not conserved between humans and mice, which may be due to evolutionary gain and loss of the regulatory regions. In this study, human and rhesus monkey genomes, with moderately conserved sequences, were compared at base resolution. Using transcription start site data, we first validated our methods' ability to identify orthologous promoters and indicated a limitation using the 5' end of curated gene models, such as NCBI RefSeq, as their transcription start sites. We found that, in addition to deamination mutations, insertions and deletions of bases, repeats, and long fragments contributed to the mutations of CpG dinucleotides. We also observed that the G + C contents tended to change in CpG-poor environments, while CpG content was altered in G + C-rich environments. While loss of CpG islands can be caused by gradual decreases in CpG sites, gain of these islands appear to require two distinct nucleotide altering steps. Taken together, our findings provide novel insights into the process of acquisition and diversification of CpG-island promoters in vertebrates.