Введение
Двойные минуты (ДМ) — это небольшие фрагменты внехромосомной ДНК, которые наблюдаются в большом количестве опухолей человека, включая рак молочной железы, легких, яичников, толстой кишки и, особенно, нейробластому. Они являются проявлением амплификации генов, возникающей в результате хромотрипсиса в процессе развития опухолей, что обеспечивает клеткам селективные преимущества для роста и выживания. Это селективное преимущество обусловлено тем, что двойные минуты часто содержат амплифицированные онкогены и гены, участвующие в устойчивости к лекарственным препаратам. ДМ, подобно настоящим хромосомам, состоят из хроматина и реплицируются в ядре клетки во время клеточного деления. В отличие от типичных хромосом, они состоят из циркулярных фрагментов ДНК размером до нескольких миллионов пар оснований и не содержат центромер или теломер. Более того, им часто не хватает ключевых регуляторных элементов, что позволяет генам постоянно экспрессироваться. Термин ecDNA может использоваться для обозначения ДМ в более общем смысле. Термин «двойные минуты» возник из-за визуализации этих структур под микроскопом: «двойные», потому что эти точки обнаруживались парами, и «минуты», потому что они были очень маленькими.
Формирование
Наиболее часто предлагаемым механизмом формирования ДМ является хромотрипсис, при котором в ходе единичного катастрофического события происходит до сотен геномных перестроек, а фрагменты хромосом, не подвергшиеся реинтеграции, соединяются, образуя ДМ. Модель "транслокация – эксцизия – делеция – амплификация" поддерживает представление о том, что во время транслокации ДМ формируются из области точки разрыва, в процессе чего происходит делеция генов, амплифицированных с хромосомы. Другой предложенный механизм – многоступенчатый эволюционный процесс, продемонстрированный на клеточной линии GLC1, в котором серия хромосомных мутаций внутри ампликонов создает субпопуляции ДМ. Помимо этих моделей, ряд исследований указывают на другие процессы формирования ДМ, такие как распад однородно окрашенной области (HSR) после слияния клеток, хромосомные разрывы, вызванные активацией хрупких участков под действием гипоксии, или снижение уровня метилирования ДНК.
Роль в амплификации генов
Формирование ДМ особенно важно благодаря их роли в амплификации генов. Помимо способности содержать гены, ДМ автономно реплицируются, облегчая дальнейшую амплификацию генов. Цикл "разрыва-слияния моста", описывающий событие, при котором потеря теломер приводит к повторному соединению и разъединению сестринских хроматид во время клеточного деления, является распространенной моделью для объяснения амплификации внутрихромосомных генов. Хотя этот процесс не приводит к прямому образованию ДМ, он был предложен в качестве ранней стадии их формирования и, следовательно, может также способствовать амплификации генов посредством ДМ.
Роль в раковых заболеваниях
Наличие DM в опухолевых клетках – относительно редкое явление, однако при некоторых видах рака наблюдается высокая частота их встречаемости. Обширный поиск по базам данных онкологических заболеваний показал, что примерно в 1,4% всех случаев обнаруживаются DM, при этом нейробластома характеризуется самой высокой частотой DM – 31,7%. Усиление специфических генов, поддерживающих рост опухолевых клеток, таких как онкогены или гены, определяющие лекарственную устойчивость, играет ключевую роль в приобретении клеткой злокачественных свойств. В связи с их участием в амплификации генов, присутствие DM может способствовать ускорению роста опухоли. Примером этого является DM-опосредованное усиление гена MYC у пациентов с острой миелоидной лейкемией, что коррелирует с неблагоприятным прогнозом. Показано, что индукция потери внехромосомно-амплифицированных генов в опухолевых клетках человека снижает их опухолегенность, поэтому элиминация DM или других экДНК, несущих онкогены, рассматривается как перспективное направление в исследованиях лечения рака. Помимо амплификации генов, DM участвуют в развитии рака, стимулируя эволюцию опухоли и устойчивость к терапии. В отличие от обычных хромосом, DM лишены центромер и теломер, необходимых для равномерного распределения хромосомного материала при делении клеток, однако они могут переходить в ядра дочерних клеток, ассоциируясь с теломерными участками митотических хромосом. Этот процесс приводит к неравномерному распределению, а неравное деление числа DM между дочерними клетками увеличивает гетерогенность опухоли, способствуя её эволюции и повышая вероятность приобретения опухолевыми клетками селективного преимущества. Амплифицированные гены, помимо DM, могут также локализоваться в хромосомных HSR. Предполагается, что интерконверсия между DM и HSR может быть механизмом развития резистентности к химиотерапии, поскольку онкогены, являющиеся мишенью лекарственных препаратов, избирательно элиминируются из внехромосомной ДНК, но вновь появляются после отмены лечения.