Хромосомадан тыс ДНК және оның түрлері

Кіріспе

Ұяшық хромосомаларынан тыс орналасқан және мысалы, органеллалар мен плазмидтерде кездесетін ДНК. Экстрахромосомалық ДНК (қысқаша ecDNA) – хромосомалардан тыс, жасуша ядросының ішінде немесе сыртында табылған кез келген ДНК. Жеке геномдағы ДНК-ның көп бөлігі ядродағы хромосомаларда орналасқан. Экстрахромосомалық ДНК-ның түрлі формалары бар, олардың кейбіреулері маңызды биологиялық функцияларды атқарады. Прокариоттарда вирус емес экстрахромосомалық ДНК көбінесе плазмидтерде кездеседі, ал эукариоттарда – органеллаларда. Митохондриялық ДНК – эукариоттардағы осы хромосомадан тыс ДНК-ның басты көзі. Бұл органелланың өз ДНК-сын қамтитыны, митохондрияның ежелгі эукариоттық жасушаларға енген бактериялық жасушалар ретінде пайда болған деген гипотезаны қолдайды. Экстрахромосомалық ДНК көбінесе репликацияны зерттеуде қолданылады, себебі оны анықтау және бөліп алу оңай. Қатерлі жасушаларда ecDNA көбінесе ядрода оқшауланған (зерттелгендей). Жасушадағы белгілі бір плазмидтің жалпы саны көшірме саны деп аталады және бір жасушада екі данадан бірнеше жүз данаға дейін болуы мүмкін. Плазмидтер плазмидте кодталған гендердің арнайы функцияларына сәйкес жіктеледі. Ф-плазмидтер (тұқым қуалайтын плазмидтер) конъюгацияға мүмкіндік береді, ал резистенттілік плазмидтері (r-плазмидтер) ампициллин және тетрациклин сияқты әртүрлі антибиотиктерге төзімділікті қамтамасыз ететін гендерді қамтиды. Вирулентті плазмидтер бактериялардың патогенді болуы үшін қажетті генетикалық элементтерді қамтиды. Бактерияларға хош иісті қосылыстар мен ксенобиотиктер сияқты әр түрлі заттарды ыдыратуға мүмкіндік беретін гендері бар деградациялық плазмидтер де бар. Бактериялық плазмидтер пигмент өндіруде, азотты бекітуде және ауыр металдарға төзімділікте де қатыса алады. Табиғи түрде кездесетін шеңберлі плазмидтерді бірнеше резистентті гендер мен ерекше шектеу орындары бар етіп өзгертуге болады, бұл оларды биотехнологияда клондау векторлары ретінде пайдалы етеді. Плазмид гендерінің өнімдері жасушаға жеткізілгеннен кейін жасушаның туа пайда болған иммундық жауабын және бейімделген иммундық жауабын ынталандырады. Плазмидтерді жасушаның иммундық жауабын күшейту үшін жеткізу алдында әдетте адъювантпен қаптайды. Сызықтық бактериялық плазмидтер спирохета бактерияларының бірнеше түрлерінде, соның ішінде Боррелия тұқымдасының мүшелерінде (Лайм ауруына себепші патоген осы тұқымдасқа жатады), Streptomyces тұқымдасының грам-оң топырақ бактерияларының бірнеше түрлерінде және Thiobacillus versutus грам-теріс түрінде анықталды – бұл күкіртті тотықтайтын бактерия. Прокариоттардың сызықтық плазмидтерінде шаштық орама немесе ДНК молекуласының теломерлік ұштарына ковалентті байланысқан белок болады. Borrelia бактериясының аденин-тиминге бай шаштық орамалары 5 килобазалық жұптан (кб) 200 кб-ға дейін жетеді және бактерия бетіндегі маңызды ақуыздар немесе антигендерді өндіруге жауапты гендерді қамтиды, бұл оған инфекцияланған жасушаның иммундық жауабынан қашуға мүмкіндік береді. ДНК-ның 5'-ұшына ковалентті байланысқан белокты қамтитын сызықтық плазмидтер инвертрон деп аталады және олардың мөлшері 9 кб-дан 600 кб-ға дейін, инверттелген терминалдық қайталанулардан тұрады.

DNA located outside the chromosomes of a cell, and found for example in organelles or plasmids
Extrachromosomal DNA (abbreviated ecDNA) is any DNA that is found off the chromosomes, either inside or outside the nucleus of a cell. Most DNA in an individual genome is found in chromosomes contained in the nucleus. Multiple forms of extrachromosomal DNA exist, and, while some of these serve important biological functions,

In prokaryotes, nonviral extrachromosomal DNA is primarily found in plasmids, whereas, in eukaryotes extrachromosomal DNA is primarily found in organelles. Mitochondrial DNA is a main source of this extrachromosomal DNA in eukaryotes. The fact that this organelle contains its own DNA supports the hypothesis that mitochondria originated as bacterial cells engulfed by ancestral eukaryotic cells. Extrachromosomal DNA is often used in research into replication because it is easy to identify and isolate. In cancer cells, ecDNA have been shown to be primarily isolated to the nucleus (reviewed in The total number of a particular plasmid within a cell is referred to as the copy number and can range from as few as two copies per cell to as many as several hundred copies per cell. Circular bacterial plasmids are classified according to the special functions that the genes encoded on the plasmid provide. Fertility plasmids, or f plasmids, allow for conjugation to occur whereas resistance plasmids, or r plasmids, contain genes that convey resistance to a variety of different antibiotics such as ampicillin and tetracycline. Virulence plasmids contain the genetic elements necessary for bacteria to become pathogenic. Degradative plasmids that contain genes that allow bacteria to degrade a variety of substances such as aromatic compounds and xenobiotics. Bacterial plasmids can also function in pigment production, nitrogen fixation and the resistance to heavy metals. Naturally occurring circular plasmids can be modified to contain multiple resistance genes and several unique restriction sites, making them valuable tools as cloning vectors in biotechnology. Once delivered into the host, the products of the plasmid genes will then stimulate both the innate immune response and the adaptive immune response of the host. The plasmids are often coated with some type of adjuvant prior to delivery to enhance the immune response from the host. Linear bacterial plasmids have been identified in several species of spirochete bacteria, including members of the genus Borrelia (to which the pathogen responsible for Lyme disease belongs), several species of the gram positive soil bacteria of the genus Streptomyces, and in the gram negative species Thiobacillus versutus, a bacterium that oxidizes sulfur. Linear plasmids of prokaryotes are found either containing a hairpin loop or a covalently bonded protein attached to the telomeric ends of the DNA molecule. The adenine thymine rich hairpin loops of the Borrelia bacteria range in size from 5 kilobase pairs (kb) to over 200 kb and contain the genes responsible for producing a group of major surface proteins, or antigens, on the bacteria that allow it to evade the immune response of its infected host. The linear plasmids which contain a protein that has been covalently attached to the 5’ end of the DNA strands are known as invertrons and can range in size from 9 kb to over 600 kb consisting of inverted terminal repeats.

Митохондриялық

Митохондриялар эукариоттық жасушаларда митохондриялық матрицада митохондриялық ДНҚ (мтДНҚ) бірнеше данасымен кездеседі. Көпжасушалы жануарларда, адамдарды қоса алғанда, дөңгелек мтДНК хромосомасында электрондық тасымалдау тізбегінің құрамына кіретін ақуыздарды кодтайтын 13 ген және митохондриялық РНК үшін 24 ген бар; бұл гендер 2 рРНК гені мен 22 тРНК геніне бөлінеді. Жануарлардың мтДНК плазмидінің мөлшері шамамен 16,6 кб-қа тең, және ол тРНК және мРНК синтезіне қатысты гендерді қамтиды, бірақ мтДНК-ның көбейіп өсуіне немесе митохондриялық ақуыздардың трансляциялануына ядролық гендермен кодталған ақуыздар қажет. Митохондриялық хромосоманың кодтау тізбегі жоқ жалғыз аймағы бар – ол 1 кб аймақ, ядролық реттеуші ақуыздардың байланысатын D-циклы деп аталады. Егер мтДНК зақымдалса, ДНК негіздік экзизия арқылы жөнделуі мүмкін, немесе зақымдалған мтДНК молекуласы жойылды (бір митохондрияда мтДНК-ның бірнеше данасы болғандықтан, бұл митохондрияға зақым келтірмейді). Ядролық гендер трансляцияланатын стандартты генетикалық код әмбебап, яғни ДНК-ның кез келген 3 негіздік тізбегі, ДНК қай түрден болса да, бірдей аминқышқылының кодын береді. Дегенмен, бұл код саңырауқұлақтардың, жануарлардың, протостардың және өсімдіктердің митохондриялық ДНҚ-сында сәл өзгеше.

Хлорпласт

Эукариотикалық хлоропластар, сондай-ақ басқа да өсімдік пластидтері, хромосомадан тыс ДНК молекулаларын да қамтиды. Көптеген хлоропластар өзінің барлық генетикалық материалының басым бөлігін бір ғана сақиналы хромосомада сақтайды, бірақ кейбір түрлерде бірнеше кішкентай сақиналы плазмидтердің болуына дәлелдер бар. Жақындағы теория, қазіргі стандартты модельге, хлоропласт ДНК-ның (cpDNA) сақина тәрізді пішініне күмән келтіреді, cpDNA көбінесе сызықтық пішінде болуы мүмкін деп болжайды. CpDNA-ның бір молекуласы 100-ден 200-ге дейін генді қамти алады және түрлерге қарай мөлшері әртүрлі болады. Жоғары сатыдағы өсімдіктердегі cpDNA мөлшері шамамен 120–160 кб құрайды. Митохондриялық ДНК (mtDNA) сияқты, cpDNA толыққанды автономды емес және репликациялануы мен хлоропласт ақуыздарын өндіруі үшін ядролық гендердің өнімдеріне тәуелді. Хлоропластар cpDNA-ның көптеген көшірмелерін қамтиды, және олардың саны түрге, жасуша түріне ғана емес, сонымен қатар жасушаның жасына және даму сатысына байланысты бір жасуша ішінде де өзгеруі мүмкін. Мысалы, дамудың бастапқы кезеңдерінде, хлоропластар анық емес пропластидтер түрінде болатын жас жасушалардың хлоропластарындағы cpDNA мазмұны, жасуша пісіп, кеңейгенде, толыққанды жетілген пластидтерді қамтиғандағыдан әлдеқайда жоғары болады.

Айналмалы

Экстрахромосомалық шеңберлі ДНҚ (eccDNA) барлық эукариоттық жасушаларда кездеседі, көбінесе геномдық ДНҚ-дан туындайды және хромосомалардың кодталатын және кодталмайтын аймақтарында таралған ДНҚ-ның қайталанатын тізбектерінен құралады. EccDNA-ның мөлшері 2000 негіз жұбынан 20 000 негіз жұбына дейін ауытқуы мүмкін. Өсімдіктердегі eccDNA хромосомалардың центромералық аймақтарында және қайталанатын спутниктік ДНҚ-да кездесетін ұқсас қайталанатын тізбектерді қамтиды. Жануарлардағы eccDNA молекулалары спутниктік ДНҚ, 5S рибосомалық ДНҚ және теломералық ДНҚ-да кездесетін қайталанатын тізбектерді қамтитыны көрсетілген. EccDNA-ның функциясы кеңінен зерттелмеген, бірақ геномдық ДНҚ тізбектерінен eccDNA элементтерінің пайда болуы эукариоттық геномның икемділігін арттырып, геномның тұрақтылығына, жасушаның қартаюына және хромосомалардың эволюциясына әсер етуі мүмкін деген болжам бар. Адамның қатерлі жасушаларында экстрахромосомалық ДНҚ-ның ерекше түрі, ecDNA деп аталады, жиі кездеседі.

Вирустық

Вирустық ДНҚ – экстрахромосомалық ДНҚ-ның мысалы болып табылады. Вирустың эволюциясы мен мутациясын түсіну үшін вирустық геномды түсіну өте маңызды. Кейбір вирустар, мысалы, АИТВ және қатерлі ісік тудыратын вирустар, өз ДНҚ-сын қабылдаушы жасушаның геномына енгізеді. Вирустық геномдар бір тізбекті ДНҚ-дан (ssДНҚ), екі тізбекті ДНҚ-дан (dsДНҚ) тұруы мүмкін және олар сызықтық және дөңгелек түрінде кездеседі. Экстрахромосомалық ДНҚ құрамындағы вирустың жұқтыруының бір мысалы – адам папиллома вирусы (HPV). HPV ДНҚ геномы репликацияның үш ерекше кезеңінен өтеді: орналасу, сақтау және көбейту. HPV аналық және еркек жыныс мүшелерінің жолдарындағы және ауыз қуысының эпителий жасушаларын жұқтырады. Әдетте, HPV иммундық жүйемен анықталып, жойылады. Вирустық ДНҚ-ны тану иммундық жауаптың маңызды бөлігі болып табылады. Бұл вирус тірі қалуы үшін дөңгелек геном жасуша бөліну кезінде көбейтіліп, ұрпаққа берілуі керек.

Қонақ жасушаның тануы

Жасушалар шетелдік цитоплазмалық ДНК-ны тани алады. Бұл тану жолдарының түсінілуі аурулардың алдын алу және емдеуге қатысты маңызға ие. Жасушаларда Toll like receptor (TLR) жолы сияқты, вирустық ДНК-ны анықтайтын сенсорлар бар. Toll жолы алғаш рет жәндіктерде, кейбір жасуша түрлеріне әртүрлі бактериялық немесе вирустық геномдарды және PAMPS (патогенмен байланысты молекулалық үлгілерді) анықтауға қабілетті сенсорлар ретінде әрекет етуге мүмкіндік беретін жол ретінде танылды. PAMP-тар туа біткен иммундық сигналды күшті түрде белсендіретін заттар ретінде белгілі. Адамда шамамен 10 Toll- сияқты рецептор (TLR) бар. Адамдағы әртүрлі TLR-лер әртүрлі PAMP-тарды анықтайды: TLR4 арқылы липополисахаридтер, TLR3 арқылы вирустық екі тізбекті РНК (dsRNA), TLR7/TLR8 арқылы вирустық бір тізбекті РНК (ssRNA), TLR9 арқылы вирустық немесе бактериялық метилденбеген ДНК. TLR9 бактериялар мен вирустарда көп кездесетін CpG ДНК-ны анықтау үшін және I типті интерферондар (IFN) және басқа цитокиндердің өндірісін бастау үшін дамыған. Осы себепті органеллалық ДНК, соның ішінде митохондриялық ДНК (мтДНК) анадан мұраға көшеді. мтДНК-ның немесе басқа цитоплазмалық ДНК-ның мутациялары да анадан мұраға көшеді. Бұл ата-анадан бір жақты мұрагерлік, Мендель ережесінен өзгеше мұрагерлік түрі. Өсімдіктерде де мтДНК бір ата-анадан мұраға көшеді. Көптеген өсімдіктер мтДНК-ны аналық желі арқылы алады, бірақ бір ерекшелік – секвойя sempervirens мтДНК-ны әкелік желі арқылы алады. Әкеден мұраға көшкен мтДНК-ның ұрпаққа сирек берілуіне екі теория бар. Бірі – әкелік мтДНК аналық мтДНК-ға қарағанда төмен концентрацияда болады, сондықтан ұрпақта анықтау қиын. Екінші, күрделі теория әкелік мтДНК-ның мұрагерлікке кедеріс келтірмеу үшін ыдырауымен байланысты. мтДНК-ның жоғары мутациялық деңгейіне байланысты, бір ата-анадан мұрагерлік цитоплазмалық ДНК-ның гомоплазмасын сақтау механизмі болуы мүмкін деген болжам бар. Экстрахромосомалық ДНК Apicomplexa тобында, яғни ең қарапайымдылардың бір тобында кездеседі. Малярия паразиті (Plasmodium туысы), ЖИТС-ке байланысты патогендер (Taxoplasma және Cryptosporidium) Apicomplexa тобының мүшелері болып табылады. Малярия паразитінде митохондриялық ДНК (мтДНК) табылды. Малярия паразиттерінде экстрахромосомалық ДНК-ның екі түрі бар. Олардың бірі 6 кб сызықтық ДНК, ал екіншісі 35 кб дөңгелек ДНК. Бұл ДНК молекулалары антибиотиктер үшін потенциалды нуклеотидтік нысаналар ретінде зерттелді.

Cells can recognize foreign cytoplasmic DNA. Understanding the recognition pathways has implications towards prevention and treatment of diseases. Cells have sensors that can specifically recognize viral DNA such as the Toll like receptor (TLR) pathway. The Toll Pathway was recognized, first in insects, as a pathway that allows certain cell types to act as sensors capable of detecting a variety of bacterial or viral genomes and PAMPS (pathogen associated molecular patterns). PAMPs are known to be potent activators of innate immune signaling. There are approximately 10 human Toll Like Receptors (TLRs). Different TLRs in human detect different PAMPS: lipopolysaccharides by TLR4, viral dsRNA by TLR3, viral ssRNA by TLR7/TLR8, viral or bacterial unmethylated DNA by TLR9. TLR9 has evolved to detect CpG DNA commonly found in bacteria and viruses and to initiate the production of IFN (type I interferons ) and other cytokines. For this reason, organelle DNA, including mtDNA, is inherited from the mother. Mutations in mtDNA or other cytoplasmic DNA will also be inherited from the mother. This uniparental inheritance is an example of non Mendelian inheritance. Plants also show uniparental mtDNA inheritance. Most plants inherit mtDNA maternally with one noted exception being the redwood Sequoia sempervirens that inherit mtDNA paternally. There are two theories why the paternal mtDNA is rarely transmitted to the offspring. One is simply the fact that paternal mtDNA is at such a lower concentration than the maternal mtDNA and thus it is not detectable in the offspring. A second, more complex theory, involves the digestion of the paternal mtDNA to prevent its inheritance. It is theorized that the uniparental inheritance of mtDNA, which has a high mutation rate, might be a mechanism to maintain the homoplasmy of cytoplasmic DNA. Extrachromosomal DNA is found in Apicomplexa, which is a group of protozoa. The malaria parasite (genus Plasmodium), the AIDS related pathogen (Taxoplasma and Cryptosporidium) are both members of the Apicomplexa group. Mitochondrial DNA (mtDNA) was found in the malaria parasite. There are two forms of extrachromosomal DNA found in the malaria parasites. One of these is 6 kb linear DNA and the second is 35 kb circular DNA. These DNA molecules have been researched as potential nucleotide target sites for antibiotics.

Ракта экДНК-ның рөлі

Генді күшейту онкогенді белсендірудің ең көп таралған механизмдерінің бірі болып табылады. Қатерлі ісіктердегі гендердің амплификациясы көбінесе хромосомадан тыс, дөңгелек элементтерде кездеседі. Ең көп күшейтілген онкогендер қатерлі ісіктерде экДНК-да табылады және жоғары динамикалық екендігі, гомогенді бояу аймақтары (HSR) ретінде түпкілікті емес хромосомаларға қайта кіріктірілетіні көрсетілген.

ЭкДНК қатерлі ісіктің озырған және ауыр түрлерінің көп санына, сондай-ақ қатерлі ісікке қарсы препараттарға төзімділікке жауапты. ЭкДНК-ның дөңгелек пішіні хромосомалық ДНҚ-ның сызықтық құрылымынан қатерлі ісік патогенезіне әсер ететін маңызды тұрғыдан ерекшеленеді. ЭкДНК-да кодталған онкогендердің транскрипциялық деңгейі өте жоғары, ол бүкіл транскриптомадағы гендердің ең жоғарғы 1% -ына кіреді. Бактериялық плазмидтер мен митохондриялық ДНҚ-дан айырмашылығы, экДНК хроматинмен байланысқан, белсенді гистон белгілерінің жоғары деңгейін қамтиды, бірақ репрессивті гистон белгілерінің азын қамтиды. ЭкДНК хроматин архитектурасында хромосомалық ДНҚ-да кездесетін жоғары реттік тығыздық болмайды және ол қатерлі ісік геноміндегі ең қолжетімді ДНҚ-ның бірі болып табылады. ЭкДНК-лар ядроның ішінде кластерленуі мүмкін, оларды экДНК хабтары деп атауға болады. Пространдық жағынан, экДНК хабтары онкогеннің шамадан тыс экспрессиясын ынталандыру үшін молекулааралық күшейткіш-ген әрекеттесуін тудыруы мүмкін.