Генетики озадачены функцией кольцевой ДНК в ядре клеток человека
Ученые пытаются определить роль внехромосомных кольцевых ДНК в развитии опухолей, клеточной специализации, переносе генетической информации и межклеточном взаимодействии.
Уже несколько десятилетий биологам известно о существовании непонятных колец ДНК, встречающихся в ядрах некоторых человеческих клеток среди обычных линейных хромосом. Однако ряд последних работ, направленных на исследование функций этих загадочных кольцевых ДНК, привел ученых в замешательство. На ежегодной конференции по биологии генома, проводимой лабораторией Колд Спринг Харбор, был предложен новый термин «Циркулом», обозначающий совокупность дополнительных внехромосомных кольцевых молекул ДНК (extrachromosomal circular DNA - eccDNA), существующих в виде независимых петель во многих типах клеток. Необходимо отметить, что eccDNA, о которой идет речь, не имеет отношения к кольцевым ДНК бактерий – плазмидам и к недавно открытым кольцевым молекулам РНК.
Впервые внехромосомные кольцевые ДНК были замечены в ядрах растений, а затем их обнаружили в биоптатах опухоли мозга. Первым предположением было, что эти дополнительные кольцевые ДНК участвуют в развитии рака. Действительно, более чем в половине известных человеческих опухолей были найдены большие молекулы кольцевых ДНК размером до 5 миллионов пар нуклеотидов. Более того, кольцевые ДНК в опухолях содержали огромное количество копий онкогенов, ответственных за рост опухоли. Пауль Мишель - специалист по онкобиологии из Калифорнийского университета, занимающийся этим исследованием, высказал мнение, что благодаря наличию множества копий одинаковых генов эти ДНК вырабатывают намного большее количество онкогенных белков, чем могло бы экспрессироваться с небольшого участка ДНК на хромосоме. При этом было показано, что во время деления клетки, кольцевые ДНК реплицируются, но, в отличие от обычной хромосомной ДНК, они не всегда распределяются поровну между дочерними клетками, накапливаясь в одной клетке в большем количестве, чем в другой. В результате с клетки, получившей большее количество кольцевой ДНК и массово продуцирующей онкоген, может начаться рост опухоли. Кроме того, у кольцевых ДНК была обнаружена способность к переносу онкогена в состав линейной хромосомы. Так, при исследовании клеток, содержащих в ядре дополнительные кольцевые ДНК, были обнаружены онкогены, находящиеся в составе линейных хромосом, но расположенные вне их обычной локализации.
Более подробно исследовать кольцевые ДНК помог метод с 50-летним стажем - центрифугирование в градиенте плотности хлорида цезия, используемый для разделения ДНК по размеру и форме. Исследователи Техасского университета, выделив таким образом кольцевую ДНК, обнаружили, что молекулы ДНК сильно различаются по размеру и генному составу. Длина самого большого гена, содержащегося в кольцевой ДНК, составила 16 тысяч пар нуклеотид. Но главное открытие ученых заключалось в том, что множество здоровых клеток также имело в своем составе кольцевые ДНК. Более того, в кольцевой ДНК сердечной мышцы были найдены гены, кодирующие специфическую изоформу белка титина – структурного компонента поперечно-полосатой мышечной ткани. Ученые не исключают, что, возможно, кольцевые ДНК каким-то образом участвуют в дифференцировке клеток. Если предположить, что тканеспецифичность кольцевых ДНК подтвердится и они действительно выступают как дополнительные маркеры клетки, исследователи могли бы использовать анализ нуклеотидной последовательности кольцевой ДНК для определения принадлежности клетки к тому или иному типу ткани.
Кроме того, возможной функцией кольцевых ДНК является обеспечение межклеточного взаимодействия на больших расстояниях. Было обнаружено, что спустя некоторое время после пересадки человеческих опухолевых клеток, содержащих кольцевые ДНК, мышам, среди мышиных кольцевых ДНК стали появляться человеческие. Таким образом, внехромосомные кольцевые ДНК могут выполнять роль переносчиков генетической информации от клетки к клетке.