Как клетки передают друг другу кольцевую ДНК
Имитируя регуляторные молекулярные взаимодействия, ДНК-кольца опухолевых клеток остаются в них после множества клеточных делений.
У любой нашей хромосомы, как бы она ни была скручена и перепутана с другими хромосомами, есть начало и конец. Этим эукариоты (то есть животные, растения, грибы и много кто ещё) отличаются от бактерий и архей, у которых хромосомы замкнуты в кольцо. Правда, в эукариотических клетках есть митохондрии и хлоропласты, которые обладают собственным геномом, и вот их ДНК тоже кольцевая. Но, кроме митохондриальных и хлоропластных хромосом, в наших клетках есть ещё ДНК-кольца, которые никаким специальным органеллам не принадлежат. Они представляют собой как бы обрезки от хромосомной ДНК, образовавшиеся в результате различных молекулярно-генетических процессов. Такая ДНК называется внехромосомной кольцевой, и впервые её увидели ещё в 60-е годы прошлого века. С тех пор её обнаруживали в разных клетках разных организмов, делили по разновидностям и пытались описать функции, если они у неё предполагались.
Наибольшим вниманием пользуется внехромосомная кольцевая ДНК из злокачественных клеток. У злокачественных клеток часто случаются множественные патологические перестройки хромосом, при которых от хромосомной ДНК тем или иным способом отделяются небольшие кольцевые фрагменты. Эти фрагменты часто несут гены или регуляторные ДНК-последовательности, стимулирующие рост опухоли. Когда раковая клетка делится, ДНК-кольца распределяются по дочерним клеткам неодинаково. Известно, что передача ДНК-колец по наследству зависит от их способности в прямом смысле прилипать к хромосомам; некоторым кольцам удаётся пройти через множество поколений клеток, другие же относительно быстро исчезают. В недавней статье в Nature описаны особенности строения ДНК-колец, позволяющие им соединяться с хромосомами и переходить от клетки к клетке.
Изначально было понятно, что тут дело в каких-то последовательностях ДНК. Исследователи встроили множество фрагментов человеческих ДНК-кусочков в бактериальные плазмиды – небольшие кольцевые ДНК, в которых у бактерий записана часть генетической информации в дополнение к основному массиву на большой кольцевой хромосоме. Эти плазмиды с человеческой ДНК внедряли в раковые клетки, в которых они могли переходить от материнской клетки к дочерней, только прилипнув к большой хромосомной ДНК. Спустя несколько клеточных поколений какие-то плазмиды сохранялись в клеточной культуре, какие-то исчезали. Те, что сохранялись, извлекали из клеток обратно и секвенировали их, то есть читали ДНК.
Удержаться в клетках плазмиды могли только благодаря особым человеческим последовательностям. Такие последовательности назвали элементами удержания, и их набралось более 14 тысяч. Это короткие участки, длиной всего около тысячи генетических букв, рассеянные по всему геному человека. Их разнообразие можно объяснить тем, что когда в раковых клетках происходят хромосомные пертурбации, кольцевая ДНК случайно выхватывает из хромосомы тот или иной кусок, который и становится элементом удержания.
Сами эти элементы представляют собой регуляторные последовательности, от которых зависит активность генов. Чтобы генетическая информация начала работать, ген должен транскрибироваться, то есть информацию с ДНК нужно перенести на РНК. Транскрипцией занимаются специальные белки, и в ДНК есть места старта транскрипции, откуда эти белки должны начать работу. Кроме того, запуск транскрипции зависит от промоторов и энхансеров – специальных некодирующих последовательностей, с которыми связываются другие белки, влияющие на транскрипционную активность. Когда промоторы, энхансеры и точки старта транскрипции оказываются в кольцевой ДНК, они становятся её элементами удержания, и удерживаются они через те самые белки, участвующие в транскрипции.
Кроме того, элементы удержания часто взаимодействуют с белками гистонами, которые работают упаковщиками ДНК и одновременно тоже регулируют активность тех или иных участков генома. Были среди элементов удержания кольцевых ДНК и другие последовательности, но в целом смысл оставался один – у них было сродство либо к последовательностям в самой хромосомной ДНК, либо к различным белкам, способным с ней взаимодействовать. То есть кольцевые ДНЦ с их элементами удержания используют те молекулярные закономерности, которые работают при регуляции генетической активности, чтобы прилипнуть к большой хромосомной ДНК.
Электронная микрофотография ядра раковой клетки. Синие стрелки указывают на ДНК хромосом, жёлтые – на внехромосомные ДНК-кольца. (Фото: Paul Mischel, UC San Diego)
Когда клетка делится, то почти вся её ДНК плотно упаковывается и становится недоступной для взаимодействия с какими-либо белками. «Почти вся» означает, что некоторые участки остаются открыты, и вот к таким участкам тяготеют кольцевые ДНК. Или, говоря иначе, от клетки к клетке способны переходить только те кольцевые ДНК, которые могут прилипнуть к открытой во время деления хромосомной зоне. Кольцевые ДНК размером обычно превышают миллион генетических букв, а элементы удержания, как было сказано, имеют в длину обычно около тысячи букв, и одна кольцевая ДНК может иметь у себя сразу много элементов удержания, что повышает её шансы на то, чтобы сохраниться в клеточных поколениях.
Исследователи также проверили базы данных с геномами различных злокачественных клеток. В них есть информация о кольцевых ДНК тоже, которые, как было сказано, нередко несут ДНК-последовательности, стимулирующие развитие болезни. Оказалось, что в 98% кольцевых ДНК со «злокачественной» последовательностью также есть хотя бы один элемент удержания. Рост опухолей зависит от того, какие гены стали у них злокачественными в результате мутаций, и от того, сколько копий таких генов есть у них в распоряжении. Неравномерное распределение ДНК-колец с опухолевыми последовательностями добавляет опухолям генетического разнообразия и тем самым затрудняет лечение. Если найти способ пресекать передачу кольцевых ДНК-колец от клетки к клетке, это, возможно, повысит эффективность противораковой терапии в целом.
