CpG Island

concept
genetic
Published

May 18, 2026

Perspective

CpG island 是理解 DNA methylation 和 cfDNA methylation 时绕不开的基础概念。读文章时最容易混淆的是三个层级：单个 CpG site、一个细胞里的两个拷贝、很多细胞合在一起后的 methylation level。

先记住一句：一个 CpG site 是基因组上的一个明确位置；CpG island 是很多 CpG sites 密集分布的一段区域。

Definition

A CpG island is a genomic region with a high frequency of CpG dinucleotides, often located near gene promoters and frequently involved in gene regulation through DNA methylation.

中文理解：CpG island 是基因组中 CpG 位点特别密集的一段 DNA 区域，常见于基因 promoter 附近。它本身是一个基因组区域，不是甲基化状态。

CpG Site First

CpG site 指同一条 DNA 链上相邻的 cytosine 和 guanine：

5'-C-G-3'

这里的 p 指中间的 phosphate backbone。

一个 CpG site 在基因组上有明确坐标，类似：

chr1:1234567

这个位置上的 cytosine 可以是 methylated，也可以是 unmethylated。

In One Cell

对一个正常二倍体细胞来说，如果某个 CpG site 位于常染色体上，这个细胞通常有两个拷贝：

父源染色体上的一份
母源染色体上的一份

每一份 CpG site 的甲基化状态是二元的：

methylated / unmethylated

所以单个细胞在某个常染色体 CpG site 上可以是：

0/2 methylated
1/2 methylated
2/2 methylated

这就是最底层逻辑。一个 CpG site 不是“可以被甲基化很多次”，而是每个 DNA 拷贝上有或无甲基化。

Across Many Cells

当很多细胞合在一起时，同一个 CpG site 就有很多拷贝。

例如 100 个正常二倍体细胞：

100 cells x 2 copies = 200 copies of this CpG site

如果其中 160 个拷贝甲基化：

methylation level = 160 / 200 = 0.8

所以 methylation level 不是说一个 CpG site 被甲基化了 80%，而是说：

在很多细胞贡献的同一个 CpG site 拷贝中，80% 是甲基化的。

CpG Island Level

CpG island 比 CpG site 高一层：

one CpG island = many CpG sites in one genomic region

当文章说某个 CpG island methylation 高，通常是把这个区域内多个 CpG sites 的 methylation levels 汇总起来看。

常见解释：

  • promoter CpG island unmethylated：该 promoter 通常更可能允许基因表达。
  • promoter CpG island hypermethylated：该 promoter 可能被沉默。
  • cancer 中 CpG island methylation 改变：可能反映 tumour suppressor silencing、cell state change 或 tissue-of-origin signal。

Why It Matters

CpG island 重要，是因为 DNA methylation 常被用来推断细胞身份、组织来源和疾病状态。不同细胞类型或组织状态在 CpG sites/CpG islands 上会有不同 methylation patterns。

在 cfDNA methylation 中，血浆 cfDNA 来自很多细胞。研究者测的是许多 CpG sites 的 methylation levels，然后用这些 patterns 推断 DNA 来源或生物状态。

Key Points

  • CpG site 是一个明确的基因组位置。
  • CpG island 是 CpG sites 密集的一段区域。
  • 单个二倍体细胞中，常染色体 CpG site 通常有两个拷贝。
  • 每个拷贝上的甲基化状态是有或无。
  • 多个细胞合在一起后，同一个 CpG site 才会出现 0 到 1 的 methylation level。
  • CpG island methylation 通常是多个 CpG sites 的区域性汇总。
  • CpG island 常见于 promoter，但不是所有 CpG sites 都在 CpG islands 里。

In Papers

Note

最实用的理解：先从单个细胞里的一个 CpG site 看起。一个常染色体 CpG site 在一个二倍体细胞里通常只有两个拷贝；每个拷贝甲基化或未甲基化。很多细胞合在一起后，才有 methylation level。CpG island 只是许多 CpG sites 聚在一起的一段区域。