Внехромосомная кольцевая ДНК способствует онкогенезу

Ученые из Стэнфордского университета и коллабораторы, в том числе из других стран, опубликовали в Nature сразу три статьи, посвященные внехромосомной кольцевой ДНК (вкДНК). Такой интерес к этим генетическим элементам, до недавнего времени привлекавшим мало внимания, обусловлен открытием их важной роли в развитии рака. В новых статьях подчеркивается высокая частота встречаемости вкДНК в разных типах опухолей и описывается несколько механизмов, которые делают ее важным двигателем онкогенеза.

вкДНК представляют собой мобильные кольцевые фрагменты ДНК до 500 000 пар оснований, которые могут содержать как гены, так и регуляторные элементы. Амплификация онкогенов в составе вкДНК — наиболее изученный и опасный механизм, который способствует выживанию и размножению раковых клеток. Это динамический процесс, который повышает гетерогенность внутри опухоли и усиливает генетическую нестабильность в ответ на внешние факторы, например, таргетную терапию, что можно рассматривать как механизм адаптации.

В трех новых статьях вкДНК исследовали комплексно, с молекулярной и клинической сторон. По данным полногеномного секвенирования опухолей пациентов исследовали распространенность вкДНК и преобладание определенных онкогенов в разных типах рака, а также оценивали корреляцию вкДНК с клиническими исходами. На клеточном уровне вкДНК характеризовали с помощью анализа препаратов метафазных ядер методом FISH; на ядрах отдельных клеток проводили scATAC-seq и секвенирование РНК. Чтобы изучить механизмы наследования вкДНК при клеточном делении, за отдельными клетками наблюдали с помощью иммунофлуоресцентного окрашивания.

вкДНК обнаружили в 17,1% проанализированных опухолей пациентов. Ее количество в образцах, отобранных после химиотерапии, было выше, чем в опухолях до лечения, что указывает на адаптивную роли вкДНК. Наличие вкДНК коррелировало с появлением метастазов и снижением общей выживаемости пациентов. Разные «классы» кольцевых ДНК, несущие отдельные онкогены, сосуществовали в клетках одновременно, а количество копий амплифицированных генов из разных групп вкДНК часто коррелировало, указывая на неслучайное распределение онкогенов. Кластеризацию вкДНК при митозе также подтвердили визуально — определенные вкДНК собирались в агрегаты и вместе переходили в дочерние клетки.

Ранее был описан отдельный тип вкДНК, которая не кодирует известные онкогены, но все равно преобладает в раковых клетках. В новых работах показали, что такая вкДНК содержит энхансеры — регуляторные генетические элементы, активирующие транскрипцию других генов. Такие энхансерные вкДНК преимущественно наследовались вместе с другими онкогенными вкДНК, предположительно обеспечивая прогрессию опухоли за счет гиперэкспрессии онкогенов.

С медицинской точки зрения перенос генов в составе вкДНК представляет большую проблему, так как нарушает принципы хромосомной теории наследования: вкДНК вносит неопределенность в распределение генетического материала между дочерними клетками при делении и способствует повышению опухолевой гетерогенности — развитию большого количества субклонов с разными онкогенными механизмами. Это дает раковым клеткам преимущество в выживании и приводит к развитию резистентности к лекарствам.

Авторы предложили новую терапевтическую стратегию для контроля над онкогенной активностью вкДНК. Открытая структура хроматина вкДНК и активирующие эпигенетические модификации способствуют бесконтрольной транскрипции, которая препятствует репликации ДНЛ. При конфликте этих процессов наступает репликативный стресс, приводящий к накоплению повреждений в ДНК. Воздействие ингибитором контрольных точек, отвечающих за приостановку репликации и починку повреждений, эффективно подавляло рост раковых клеток, содержащих много вкДНК.

Дальнейшее изучение молекулярных механизмов онкогенеза, которому способствуют вкДНК, может привести к открытию новых терапевтических подходов. Первые из них, разработанные в рамках этих исследований, уже перешли к стадии клинических испытаний.

В листьях риса повышено содержание экстрахромосомной кольцевой ДНК