Внехромосомная ДНК

редактировать
ДНК, расположенная за пределами хромосом клетки и найденная, например, в органеллах или плазмидах

Внехромосомная ДНК (сокращенно вкДНК) - это любая ДНК, обнаруженная вне хромосом, внутри или вне ядра клетки. Большая часть ДНК в индивидуальном геноме обнаруживается в хромосомах, содержащихся в ядре. Существует множество форм внехромосомной ДНК, которые выполняют важные биологические функции, например они могут играть роль при заболевании, например, вкДНК при раке.

У прокариот невирусная внехромосомная ДНК в основном обнаруживается в плазмидах, тогда как у эукариот внехромосомная ДНК в основном обнаруживается в органеллах. Митохондриальная ДНК является основным источником этой внехромосомной ДНК у эукариот. Тот факт, что эта органелла содержит собственную ДНК, подтверждает гипотезу о том, что митохондрии возникли как бактериальные клетки, поглощенные предковыми эукариотическими клетками. Внехромосомные ДНК часто используются в исследованиях репликации, потому что их легко идентифицировать и изолировать.

Хотя внехромосомная кольцевая ДНК (экДНК) обнаруживается в нормальных эукариотических клетках, внехромосомная ДНК (вкДНК ) представляет собой отдельный объект, который был идентифицирован в ядрах раковых клеток и, как было показано, несет множество копий онкогенов-драйверов. Считается, что вкДНК является основным механизмом амплификации генов, что приводит к появлению множества копий онкогенов-драйверов и очень агрессивному раку.

Было обнаружено, что внехромосомная ДНК в цитоплазме структурно отличается от ядерной ДНК. Цитоплазматическая ДНК менее метилирована, чем ДНК, обнаруженная в ядре. Было также подтверждено, что последовательности цитоплазматической ДНК отличались от ядерной ДНК в том же организме, показывая, что цитоплазматические ДНК не являются просто фрагментами ядерной ДНК. Было показано, что в раковых клетках вкДНК в первую очередь изолирована от ядра (см. Обзор).

В дополнение к ДНК, обнаруженной вне ядра в клетках, инфицирование вирусных геномов также представляет собой пример внехромосомной ДНК.

Содержание

  • 1 Прокариотический
  • 2 Эукариотический
    • 2.1 Митохондриальный
    • 2.2 Хлоропласт
    • 2.3 Круговой
  • 3 Вирусный
    • 3.1 Распознавание клеткой-хозяином
  • 4 Наследование
  • 5 Клиническая значимость
  • 6 Роль вкДНК в развитии рака
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература

Прокариотическая

pBR32 плазмида из E. coli

Хотя прокариотические организмы не имеют связанного с мембраной ядра, как у эукариот, они все же содержат область нуклеоида, в которой находится основная хромосома. Внехромосомная ДНК существует у прокариот вне области нуклеоида в виде кольцевых или линейных плазмид. Бактериальные плазмиды обычно представляют собой короткие последовательности, состоящие из сегментов от 1 килобаз (кб) до нескольких сотен кб, и содержат точку начала репликации, которая позволяет плазмиде реплицироваться независимо от бактериальной хромосомы. Общее количество конкретной плазмиды в клетке называется числом копий и может варьироваться от двух копий на клетку до нескольких сотен копий на клетку. Циркулярные бактериальные плазмиды классифицируются в соответствии со специальными функциями, которые обеспечивают гены, кодируемые плазмидой. Плазмиды фертильности, или плазмиды f, обеспечивают возможность конъюгации, тогда как плазмиды устойчивости или плазмиды r содержат гены, передающие устойчивость к множеству различных антибиотиков, таких как ампициллин и тетрациклин. Существуют также плазмиды вирулентности, которые содержат генетические элементы, необходимые для того, чтобы бактерии стали патогенными, а также плазмиды деградации, содержащие гены, которые позволяют бактериям разлагать различные вещества, такие как ароматические соединения и ксенобиотики. Бактериальные плазмиды также могут участвовать в производстве пигментов, азотфиксации и устойчивости к тяжелым металлам у тех бактерий, которые ими обладают.

Природные кольцевые плазмиды могут быть модифицированы так, чтобы они содержали несколько генов устойчивости и несколько уникальных сайтов рестрикции, что делает их ценными инструментами векторов клонирования в биотехнологических приложениях. Циркулярные бактериальные плазмиды также являются основой для производства ДНК-вакцин. Вакцины с плазмидной ДНК генетически сконструированы и содержат ген, кодирующий антиген или белок, продуцируемый патогенным вирусом, бактерией или другими паразитами. После доставки в хозяина продукты плазмидных генов будут стимулировать как врожденный иммунный ответ, так и адаптивный иммунный ответ хозяина. Плазмиды часто покрывают некоторым типом адъюванта перед доставкой для усиления иммунного ответа от хозяина.

Линейные бактериальные плазмиды были идентифицированы у нескольких видов спирохетных бактерий, включая представителей рода Borrelia (к которому принадлежит возбудитель болезни Лайма ), несколько видов грамположительных почвенных бактерий из рода Streptomyces, а также грамм-отрицательный вид Thiobacillus versutus, бактерия, окисляющая серу. Обнаружены линейные плазмиды прокариот, содержащие либо шпильку, либо ковалентно связанный белок, присоединенный к теломерным концам молекулы ДНК.. Богатые аденином-тимином шпильки бактерий Borrelia имеют размер от 5 пар оснований (кб) до более 200 кб и содержат гены, ответственные за выработку группы основных поверхностных белков или антигенов на бактериях, которые позволяют им ускользать. иммунный ответ инфицированного хозяина. Линейные плазмиды, которые содержат белок, ковалентно присоединенный к 5’-концу цепей ДНК, известны как инвертроны и могут иметь размер от 9 т.п.н. до более 600 т.п.н., состоящие из инвертированных концевых повторов. Линейные плазмиды с ковалентно присоединенным белком могут способствовать бактериальной конъюгации и интеграции плазмид в геном. Эти типы линейных плазмид представляют самый большой класс внехромосомной ДНК, поскольку они не только присутствуют в определенных бактериальных клетках, но и все линейные молекулы внехромосомной ДНК, обнаруженные в эукариотических клетках, также принимают эту инвертронную структуру с белком, прикрепленным к 5'-концу.

Эукариот

Митохондрии

Митохондриальная ДНК человека, содержащая 37 генов

митохондрии, присутствующие в эукариотических клетках, содержат множество копий митохондриальной ДНК, называемой мтДНК, которая является размещены в митохондриальном матриксе. У многоклеточных животных, включая человека, круговая хромосома мтДНК содержит 13 генов, которые кодируют белки, которые являются частью цепи переноса электронов, и 24 гена, которые продуцируют РНК, необходимую для продукции митохондриальных белков; эти гены разбиты на 2 гена рРНК и 22 гена тРНК. Размер плазмиды мтДНК животного составляет примерно 16,6 т.п.н., и, хотя она содержит гены для синтеза тРНК и мРНК, белки, образующиеся в результате ядерных генов, по-прежнему необходимы для репликации мтДНК или трансляции митохондриальных белков. Есть только одна область митохондриальной хромосомы, которая не содержит кодирующей последовательности, и это область размером 1 т.п.н., известная как D-петля, с которой связываются ядерные регуляторные белки. Число молекул мтДНК в митохондриях варьируется от вида к виду, а также от клеток с разными потребностями в энергии. Например, клетки мышц и печени содержат больше копий мтДНК на митохондрию, чем клетки крови и кожи. Из-за близости цепи переноса электронов внутри митохондриальной внутренней мембраны и производства активных форм кислорода (ROS), а также из-за того, что молекула мтДНК не связана или защищенная гистонами, мтДНК более восприимчива к повреждению ДНК, чем ядерная ДНК. В случаях, когда происходит повреждение мтДНК, ДНК может быть либо восстановлена ​​с помощью путей эксцизионной репарации оснований, либо поврежденная молекула мтДНК разрушается (без повреждения митохондрии, поскольку существует несколько копий мтДНК на митохондрию).

стандартный генетический код, с помощью которого транслируются ядерные гены, является универсальным, что означает, что каждая трехосновная последовательность ДНК кодирует одну и ту же аминокислоту независимо от того, от какого вида ДНК происходит. Однако этот универсальный характер кода не относится к митохондриальной ДНК, обнаруженной у грибов, животных, простейших и растений. Хотя большинство последовательностей из 3 оснований в мтДНК этих организмов кодируют те же аминокислоты, что и нуклеотидные генетические коды, существуют некоторые последовательности мтДНК, которые кодируют аминокислоты, отличные от таковых их аналогов ядерной ДНК.

Кодовые различия, обнаруженные в последовательностях мтДНК различных организмов
Генетический кодТаблица трансляцииВключенный кодон ДНКВключенный кодон РНКПеревод с этим кодомСравнение с универсальным кодом
Митохондрии позвоночных 2AGAAGATer(*)Arg(R)
AGGAGGTer(*)Arg(R)
ATAAUAMet(M)Ile(I)
TGAUGATrp(Вт)Ter(*)
Дрожжевые митохондрии 3ATAAUAMet(M)Ile(I)
CTTCUUThr(T)Leu(L)
CTCCUCThr(T)Leu(L)
CTACUAThr(T)Leu(L)
CTGCUGThr(T)Leu(L)
TGAUGATrp( W)Ter(*)
CGACGAотсутствуетArg(R)
CGCCGCотсутствуетArg(R)
Плесень, простейшие и кишечнополостные митохондрии 4 и 7TGAUGATrp(W)Ter(*)
Митохондриальные беспозвоночные 5AGAAGASer(S)Arg(R)
AGGAGGSer(S)Arg(R)
ATAAUAMet(M)Ile(I)
TGAUGATrp(W)Ter(*)
Митохондриальные иглокожие и плоские черви 9AAAAAAAsn(N)Lys(K)
AGAAGASer(S)Arg(R)
AGGAGGSer(S)Arg(R)
TGAUGATrp(W)Ter(*)
Асцидий митохондриальный 13AGAAGAGly(G)Arg(R)
AGGAGGGly(G)Arg( R)
ATAAUAMet(M)Ile(I)
TGAUGATrp(W)Ter(*)
Альтернативный митохондриальный плоский червь 14AAAAAAAsn(N)Lys(K)
AGAAGASer( S)Arg(R)
AGGAGGSer(S)Arg(R)
TAAUAATyr(Y)Ter(*)
TGAUGATrp(W)Ter(*)
Chlorophycean митохондриальная 16TAGUAGLeu(L)Ter(*)
Митохондриальные трематоды 21TGAUGATrp(W)Ter(*)
ATAAUAMet(M)Ile(I)
AGAAGASer(S)Arg(R)
AGGAGGSer(S)Arg(R)
AAAAAAAsn(N)Lys(K)
Scenedesmus obliquus митохондриальный 22TCAUCATer(*)Ser(S)
TAGUAGLeu(L)Ter(*)
Thraustochytrium mitochondrial 23TTAUUATer(*)Leu(L)
Pterobranchia mitochondrial 24AGAAGASer(S)Arg(R)
AGGAGGLys(K)Arg(R)
TGAUGATrp(W)Ter(*)
Аминокислоты биохимические свойстванеполярныйполярныйосновнойкислыйОкончание: стоп-кодон

Считается, что различия в кодировании связаны с быть результатом химических модификаций в транспортных РНК, которые взаимодействуют с информационными РНК, полученными в результате транскрибирования последовательностей мтДНК.

Хлоропласт

эукариот хлоропласты, а также другие растительные пластиды также содержат внехромосомные молекулы ДНК. Большинство хлоропластов содержат весь свой генетический материал в одной кольцевой хромосоме, однако у некоторых видов есть свидетельства наличия нескольких более мелких кольчатых плазмид. Недавняя теория, которая ставит под сомнение текущую стандартную модель кольцевой хлоропластной ДНК (хпДНК), предполагает, что хпДНК может чаще принимать линейную форму. Одна молекула хпДНК может содержать от 100 до 200 генов и варьируется по размеру от вида к виду. Размер хпДНК у высших растений составляет около 120–160 т.п.н. Гены, обнаруженные в хпДНК, кодируют мРНК, которые отвечают за производство необходимых компонентов фотосинтетического пути, а также кодируют тРНК, рРНК, субъединицы РНК-полимеразы, и субъединицы рибосомного белка. Как и мтДНК, хпДНК не является полностью автономной и зависит от продуктов ядерных генов для репликации и производства белков хлоропластов. Хлоропласты содержат несколько копий хпДНК, и их количество может варьироваться не только от вида к виду или от типа клетки к типу клетки, но также в пределах одной клетки в зависимости от возраста и стадии развития клетки. Например, содержание хпДНК в хлоропластах молодых клеток на ранних стадиях развития, когда хлоропласты имеют форму нечетких пропластидов, намного выше, чем содержание хпДНК в хлоропластах молодых клеток, содержащих полностью зрелые пластиды.

Круговая

Внехромосомная кольцевая ДНК (эккДНК) присутствует во всех эукариотических клетках, обычно происходит из геномной ДНК и состоит из повторяющихся последовательностей ДНК, обнаруженных как в кодирующих, так и в не- кодирующие области хромосом. Размер EccDNA может варьироваться от менее 2000 пар оснований до более 20 000 пар оснований. У растений эккДНК содержит повторяющиеся последовательности, подобные тем, которые обнаруживаются в центромерных областях хромосом и в повторяющейся сателлитной ДНК. Было показано, что у животных молекулы эккДНК содержат повторяющиеся последовательности, которые наблюдаются в сателлитной ДНК, 5S рибосомной ДНК и теломерной ДНК. Определенные организмы, такие как дрожжи, полагаются на репликацию хромосомной ДНК для производства eccDNA, тогда как образование eccDNA может происходить у других организмов, таких как млекопитающие, независимо от процесса репликации. Функция eccDNA не была широко изучена, но было высказано предположение, что производство элементов eccDNA из последовательностей геномной ДНК увеличивает пластичность эукариотического генома и может влиять на стабильность генома, старение клеток и эволюцию хромосом.

Отдельный тип внехромосомной ДНК, обозначаемый как вкДНК, обычно наблюдается в раковых клетках человека. вкДНК, обнаруженная в раковых клетках, содержит один или несколько генов, которые обладают избирательным преимуществом. экДНК намного больше, чем экДНК, и видны при световой микроскопии. Размер внкДНК при раке обычно колеблется от 1–3 МБ и выше. Большие молекулы вкДНК были обнаружены в ядрах раковых клеток человека и, как было показано, несут множество копий драйверных онкогенов, которые транскрибируются в опухолевых клетках. На основании этих данных считается, что вкДНК способствует росту рака.

Вирусная

Вирусная ДНК является примером внехромосомной ДНК. Понимание вирусных геномов очень важно для понимания эволюции и мутации вируса. Некоторые вирусы, такие как ВИЧ и онкогенные вирусы, включают свою собственную ДНК в геном клетки-хозяина. Вирусные геномы могут состоять из одноцепочечной ДНК (оцДНК ), двухцепочечной ДНК (дцДНК ) и могут находиться как в линейной, так и в кольцевой форме.

Одна. Примером заражения вирусом, представляющим собой внехромосомную ДНК, является вирус папилломы человека (HPV ). Геном ДНК ВПЧ проходит три различных стадии репликации: создание, поддержание и амплификация. ВПЧ поражает эпителиальные клетки аногенитального тракта и полости рта. Обычно ВПЧ обнаруживается и удаляется иммунной системой. Распознавание вирусной ДНК - важная часть иммунного ответа. Чтобы этот вирус сохранялся, кольцевой геном должен реплицироваться и унаследоваться во время деления клеток.

Распознавание клеткой-хозяином

Клетки могут распознавать чужеродную цитоплазматическую ДНК. Понимание путей распознавания имеет значение для профилактики и лечения заболеваний. Клетки имеют сенсоры, которые могут специфически распознавать вирусную ДНК, например путь Toll-подобного рецептора (TLR).

Путь Toll был признан, сначала у насекомых, как путь, который позволяет некоторым типам клеток действовать как сенсоры, способные обнаружения различных бактериальных или вирусных геномов и PAMPS (патоген-ассоциированные молекулярные структуры). Известно, что PAMP являются мощными активаторами передачи сигналов врожденного иммунитета. Существует приблизительно 10 человеческих толл-подобных рецепторов (TLR). Различные TLR у человека обнаруживают разные PAMPS: липополисахариды по TLR4, вирусные дцРНК по TLR3, вирусные оцРНК по TLR7 / TLR8, вирусные или бактериальная неметилированная ДНК по TLR9. TLR9 был разработан для обнаружения CpG ДНК, обычно обнаруживаемой в бактериях и вирусах, и для инициирования производства IFN (интерферонов типа I) и других цитокинов.

Наследование

Наследование митохондрий у людей: мтДНК и ее мутации передаются от матери.

Наследование внехромосомной ДНК отличается от наследования ядерной ДНК, обнаруженной в хромосомах. В отличие от хромосом вкДНК не содержит центромеры и, следовательно, демонстрирует неменделирующий паттерн наследования, который приводит к гетерогенным популяциям клеток. У человека практически вся цитоплазма унаследована от яйцеклетки матери. По этой причине ДНК органелл, в том числе мтДНК, передается по наследству от матери. Мутации в мтДНК или другой цитоплазматической ДНК также будут унаследованы от матери. Это монородительское наследование является примером неменделевского наследования. Растения также демонстрируют однопородное наследование мтДНК. Большинство растений наследуют мтДНК по материнской линии, за одним отмеченным исключением - секвойя семпервиренс красного дерева, которая наследует мтДНК по отцовской линии.

Существуют две теории, почему отцовская мтДНК не передается потомству. Во-первых, это просто тот факт, что отцовская мтДНК имеет такую ​​более низкую концентрацию, чем материнская мтДНК, и поэтому она не обнаруживается в потомстве. Вторая, более сложная теория включает переваривание отцовской мтДНК для предотвращения ее наследования. Предполагается, что монородительское наследование мтДНК, которая имеет высокую частоту мутаций, может быть механизмом для поддержания гомоплазмы цитоплазматической ДНК.

Клиническая значимость

Иногда называемые ЭЭ, внехромосомные элементы, связаны с геномной нестабильностью у эукариот. Небольшие полидисперсные ДНК (spcDNAs), тип eccDNA, обычно обнаруживаются в сочетании с нестабильностью генома. SpcDNA происходят из повторяющихся последовательностей, таких как сателлитная ДНК, ретровирусоподобных элементов ДНК и мобильных элементов в геноме. Считается, что они являются продуктами перестройки генов.

Внехромосомная ДНК (вкДНК ), обнаруженная при раке, исторически называлась двухминутными хромосомами (DM), которые представлены как парный хроматин тела под световой микроскопией. Двухминутные хромосомы составляют ~ 30% от ракового спектра вкДНК, включая отдельные тельца, и, как было обнаружено, содержат идентичное содержание генов, как отдельные тельца. Обозначение вкДНК охватывает все формы большой внехромосомной ДНК, содержащей онкогены, обнаруживаемой в раковых клетках. Этот тип вкДНК обычно встречается в раковых клетках различной гистологии, но практически никогда в нормальных клетках. Считается, что вкДНК образуется в результате двухцепочечных разрывов хромосом или чрезмерной репликации ДНК в организме. Исследования показывают, что в случаях рака и другой геномной нестабильности могут наблюдаться более высокие уровни EE.

Митохондриальная ДНК может играть роль в возникновении заболевания по-разному. Точечные мутации в мтДНК или альтернативные структуры генов были связаны с несколькими заболеваниями, поражающими сердце, центральную нервную систему, эндокринную систему, желудочно-кишечный тракт, глаза и почки. Потеря количества мтДНК, присутствующей в митохондриях, может привести к целому набору заболеваний, известных как синдромы митохондриального истощения (MDD), которые влияют на печень, центральную и периферическую нервную системы, гладкие мышцы и слух у людей. Получены смешанные, а иногда и противоречивые результаты исследований, которые пытаются связать количество копий мтДНК с риском развития определенных видов рака. Были проведены исследования, которые показывают связь между повышенным и пониженным уровнями мтДНК и повышенным риском развития рака груди. Обнаружена положительная связь между повышенным уровнем мтДНК и повышенным риском развития опухолей почек, но, по-видимому, нет связи между уровнями мтДНК и развитием рака желудка.

Внехромосомная ДНК обнаружена в Apicomplexa, который представляет собой группу простейших. Паразит малярии (род Plasmodium), связанный со СПИДом патоген (Taxoplasma и Cryptosporidium) оба являются членами группы Apicomplexa. Митохондриальная ДНК (мтДНК) была обнаружена у малярийного паразита. У малярийных паразитов обнаружены две формы внехромосомной ДНК. Одна из них представляет собой линейную ДНК размером 6 т.п.н., а вторая - кольцевую ДНК размером 35 т.п.н. Эти молекулы ДНК были исследованы как потенциальные нуклеотидные сайты-мишени для антибиотиков.

Роль вкДНК в раке

Амплификация гена является одним из наиболее распространенных механизмов активации онкогена. Одна из основных функций вкДНК при раке состоит в том, чтобы дать опухоли возможность быстро достичь высокого числа копий, одновременно способствуя быстрой, массивной генетической гетерогенности от клетки к клетке. Наиболее часто амплифицированные онкогены при раке обнаруживаются на вкДНК, и было показано, что они очень динамичны, реинтегрируются в неместные хромосомы в виде областей гомогенного окрашивания (HSR) и изменяют количество копий и состав в ответ на различные лекарственные препараты.

Круглая форма вкДНК отличается от линейной структуры хромосомной ДНК значимыми способами, которые влияют на рак патогенез. Онкогены, кодируемые на вкДНК, имеют массивную транскрипционную продукцию, занимая первое место 1% генов во всем транскриптоме. В отличие от бактериальных плазмид или митохондриальной ДНК, вкДНК хроматинизированы, содержат высокие уровни активных меток гистонов, но мало репрессивных меток гистонов. В архитектуре вкДНК хроматин отсутствует уплотнение высшего порядка, которое присутствует в хромосомной ДНК, и она является одной из наиболее доступных ДНК во всем геноме рака.

Ссылки

Дополнительная литература

Последняя правка сделана 2021-05-19 10:17:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте