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染色体外DNA（ecDNAと略される）とは、細胞の核の内外を問わず、染色体以外の場所に存在するDNAのことである。個々のゲノムのDNAの大部分は、核内の染色体に存在する。染色体外DNAには複数の形態が存在し、その一部は重要な生物学的機能を果たす一方で、[ 1 ] がんなどの疾患にも関与する可能性がある。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
原核生物では、非ウイルス性の染色体外DNAは主にプラスミドに存在しますが、真核生物では染色体外DNAは主に細胞小器官に存在します。[ 1 ]真核生物では、ミトコンドリアDNAがこの染色体外DNAの主な供給源です。[ 5 ]この細胞小器官が独自のDNAを持っているという事実は、ミトコンドリアが祖先の真核細胞に取り込まれた細菌細胞として起源したという仮説を裏付けています。[ 6 ]染色体外DNAは、識別や分離が容易なため、複製に関する研究でよく使用されます。[ 1 ]
染色体外環状DNA （eccDNA）は正常な真核細胞にも見られますが、染色体外DNA（ecDNA）は癌細胞の核内で同定された別個の存在であり、多数のドライバー癌遺伝子のコピーを保有していることが示されています。[ 7 ] [ 8 ] [ 3 ] ecDNAは遺伝子増幅の主要なメカニズムと考えられており、多数のドライバー癌遺伝子のコピーと非常に悪性度の高い癌を引き起こします。
細胞質内の染色体外DNAは、核DNAとは構造的に異なることがわかっています。細胞質DNAは、核内のDNAよりもメチル化が少ないです。また、同じ生物の細胞質DNAの配列は核DNAとは異なることも確認されており、細胞質DNAは単に核DNAの断片ではないことが示されています。[ 9 ] がん細胞では、ecDNAは主に核に隔離されていることが示されています（[ 2 ]でレビューされています）。
細胞核外に存在するDNAに加えて、ウイルスゲノムによる感染も染色体外DNAの一例となる。
原核生物は真核生物のように膜で囲まれた核を持たないが、主染色体が存在する核様体領域を持っている。原核生物では、核様体領域の外側に環状または線状のプラスミドとして染色体外DNAが存在する。細菌プラスミドは通常、1～数百キロベース（kb）のセグメントからなる短い配列であり、細菌染色体とは独立して複製できる複製起点を持っている。[ 10 ]細胞内の特定のプラスミドの総数はコピー数と呼ばれ、細胞あたり2コピーから数百コピーまで様々である。[ 11 ] 環状細菌プラスミドは、プラスミドにコードされた遺伝子が提供する特別な機能に基づいて分類される。受精プラスミド（fプラスミド）は接合を可能にする一方、耐性プラスミド（rプラスミド）はアンピシリンやテトラサイクリンなどのさまざまな抗生物質に対する耐性を付与する遺伝子を含んでいます。病原性プラスミドは細菌が病原性になるために必要な遺伝要素を含んでいます。分解性プラスミドは、芳香族化合物や異種化合物などのさまざまな物質を細菌が分解できるようにする遺伝子を含んでいます。[ 12 ]細菌プラスミドは、色素産生、窒素固定、重金属耐性にも機能します。[ 13 ]
自然界に存在する環状プラスミドは、複数の耐性遺伝子と複数の固有の制限酵素部位を含むように改変することができ、バイオテクノロジーにおけるクローニングベクターとして貴重なツールとなる。 [ 10 ]環状細菌プラスミドは、 DNAワクチンの製造の基礎にもなっている。プラスミドDNAワクチンは、病原性ウイルス、細菌、またはその他の寄生虫によって産生される抗原またはタンパク質をコードする遺伝子を含むように遺伝子操作されている。 [ 14 ]宿主に投与されると、プラスミド遺伝子の産物は、宿主の自然免疫応答と獲得免疫応答の両方を刺激する。プラスミドは、宿主からの免疫応答を高めるために、投与前に何らかのアジュバントでコーティングされることが多い。[ 15 ]
線状細菌プラスミドは、ボレリア属（ライム病の原因菌が属する属）のメンバー、ストレプトマイセス属のグラム陽性土壌細菌のいくつかの種、および硫黄を酸化する細菌であるグラム陰性種のThiobacillus versutusを含む、いくつかのスピロヘータ細菌種で同定されている。原核生物の線状プラスミドは、DNA分子のテロメア末端にヘアピンループまたは共有結合タンパク質が付着している。ボレリア細菌のアデニン-チミンに富むヘアピンループのサイズは5キロ塩基対（kb）から200 kbを超えるものまであり[ 16 ]、細菌が感染した宿主の免疫応答を回避することを可能にする、細菌上の主要な表面タンパク質または抗原群を生成する遺伝子が含まれている。[ 17 ] DNA鎖の5'末端に共有結合したタンパク質を含む線状プラスミドはインバートロンとして知られており、逆方向末端反復配列から構成される9 kbから600 kbを超えるサイズまで様々である。[ 16 ]共有結合したタンパク質を持つ線状プラスミドは、細菌の接合とプラスミドのゲノムへの組み込みを助ける可能性がある。これらのタイプの線状プラスミドは、特定の細菌細胞に存在するだけでなく、真核細胞で見られるすべての線状染色体外DNA分子も5'末端にタンパク質が結合したこのインバートロン構造をとるため、染色体外DNAの最大のクラスを構成している。[ 16 ] [ 17 ]
古細菌の一種と共存する長く直線状の「ボーグ」は、その古細菌が宿主となり、多くの遺伝子を共有している可能性があり、未知の形態の染色体外DNA構造である可能性がある。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
真核細胞に存在するミトコンドリアには、ミトコンドリアマトリックス内にミトコンドリアDNA（mtDNA）の複数のコピーが含まれています。[ 21 ]ヒトを含む多細胞動物では、環状mtDNA染色体には、電子伝達系の一部であるタンパク質をコードする13個の遺伝子と、ミトコンドリアRNAの24個の遺伝子が含まれています。これらの遺伝子は、2個のrRNA遺伝子と22個のtRNA遺伝子に分けられます。[ 22 ] 動物のmtDNAプラスミドのサイズは約16.6kbで、tRNAとmRNA合成の遺伝子が含まれていますが、mtDNAの複製やミトコンドリアタンパク質の翻訳には、核遺伝子によってコードされるタンパク質が依然として必要です。[ 23 ]ミトコンドリア染色体には、コード配列を含まない領域が1つだけあり、それは核調節タンパク質が結合するDループとして知られる1kbの領域です。 [ 22 ]ミトコンドリアあたりの mtDNA 分子の数は、種によって、またエネルギー需要の異なる細胞間でも異なります。たとえば、筋肉細胞や肝細胞は、血液細胞や皮膚細胞よりもミトコンドリアあたりの mtDNA コピー数が多くなります。[ 23 ]ミトコンドリア内膜内の電子伝達系と活性酸素種(ROS)の生成、および mtDNA 分子がヒストンに結合または保護されていないという事実により、mtDNA は核 DNA よりも DNA 損傷を受けやすくなっています。[ 24 ] mtDNA が損傷した場合、DNA は塩基除去修復経路によって修復されるか、損傷した mtDNA 分子が破壊されます (ミトコンドリアあたりに複数の mtDNA コピーがあるため、ミトコンドリアに損傷を与えることはありません)。[ 25 ]
核遺伝子が翻訳される標準的な遺伝暗号は普遍的であり、DNAの各3塩基配列は、DNAがどの種由来であっても同じアミノ酸をコードします。しかし、この暗号は非常に普遍的であるものの、真菌、動物、原生生物、植物のミトコンドリアDNAではわずかに異なります。[ 21 ]これらの生物のmtDNAの3塩基配列（コドン）のほとんどは核遺伝暗号と同じアミノ酸をコードしますが、一部は異なります。
コーディングの違いは、mtDNA配列の転写によって生成されるメッセンジャーRNAと相互作用するトランスファーRNAの化学的修飾の結果であると考えられている。 [ 26 ]
真核生物の葉緑体、および他の植物のプラスチドも、染色体外DNA分子を含んでいます。ほとんどの葉緑体は、すべての遺伝物質を単一の環状染色体に格納していますが、一部の種では、複数のより小さな環状プラスミドの存在が示されています。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]環状葉緑体DNA（cpDNA）の現在の標準モデルに疑問を呈する最近の理論では、cpDNAはより一般的に線状になる可能性があると示唆されています。[ 30 ] 1つのcpDNA分子には、100～200個の遺伝子が含まれる可能性があり[ 31 ] 、種によってサイズが異なります。高等植物のcpDNAのサイズは約120～160kbです。[ 21 ] cpDNA 上に存在する遺伝子は、光合成経路に必要な構成要素を生成する mRNA をコードし、tRNA、 rRNA、RNA ポリメラーゼサブユニット、リボソームタンパク質サブユニットもコードしています。[ 32 ] mtDNA と同様に、cpDNA は完全に自律的ではなく、複製と葉緑体タンパク質の生成には核遺伝子産物に依存しています。葉緑体には cpDNA が複数コピー含まれており、その数は種や細胞の種類によって異なるだけでなく、細胞の年齢や発達段階に応じて単一の細胞内でも変化する可能性があります。たとえば、葉緑体が不明瞭なプロプラスチドの形をしている発達初期段階の若い細胞の葉緑体中の cpDNA 含有量は、細胞が成熟して拡大し、完全に成熟したプラスチドを含むようになったときよりもはるかに高くなっています。[ 33 ]
染色体外環状DNA（eccDNA）はすべての真核細胞に存在し、通常はゲノムDNAに由来し、染色体のコード領域と非コード領域の両方に存在する反復DNA配列から構成されます。eccDNAのサイズは2000塩基対未満から20000塩基対以上まで様々です。[ 34 ]植物では、eccDNAは染色体のセントロメア領域や反復サテライトDNA に見られるものと同様の反復配列を含んでいます。 [ 35 ]動物では、eccDNA分子はサテライトDNA、5SリボソームDNA、テロメアDNA に見られる反復配列を含むことが示されています。[ 34 ] 酵母などの特定の生物は、染色体DNA複製に依存してeccDNAを生成しますが[ 35 ] 、哺乳類などの他の生物では、複製プロセスとは独立してeccDNAの形成が起こり得ます。[ 36 ] eccDNAの機能は広く研究されていませんが、ゲノムDNA配列からのeccDNA要素の生成は真核生物ゲノムの可塑性を高め、ゲノムの安定性、細胞の老化、染色体の進化に影響を与える可能性があると提唱されています。[ 37 ]
ecDNAと呼ばれる独特なタイプの染色体外DNAは、ヒトの癌細胞でよく観察される。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]癌細胞で見られるecDNAには、選択的優位性を与える1つ以上の遺伝子が含まれている。ecDNAはeccDNAよりもはるかに大きく、光学顕微鏡で観察できる。癌におけるecDNAのサイズは一般的に1～3MB以上である。[ 2 ]大きなecDNA分子はヒトの癌細胞の核で発見されており、腫瘍細胞で転写されるドライバー癌遺伝子の多くのコピーを持っていることが示されている。この証拠に基づいて、ecDNAは癌の増殖に寄与していると考えられている。
ecDNAを識別できる特殊なツールが存在する。
ウイルスDNAは染色体外DNAの一例です。ウイルスゲノムを理解することは、ウイルスの進化と変異を理解する上で非常に重要です。[ 39 ] HIVや発がん性ウイルスなどの一部のウイルスは、宿主細胞のゲノムに自身のDNAを組み込みます。[ 40 ]ウイルスゲノムは、一本鎖DNA（ ssDNA）、二本鎖DNA（dsDNA ） で構成され、線状と環状の両方の形態で存在します。[ 41 ]
染色体外DNAとして構成されるウイルス感染の一例として、ヒトパピローマウイルス（HPV）が挙げられる。HPV DNAゲノムは、確立、維持、増幅という3つの異なる複製段階を経る。HPVは肛門生殖器管および口腔内の上皮細胞に感染する。通常、HPVは免疫系によって検出され、排除される。ウイルスDNAの認識は免疫応答の重要な部分である。このウイルスが持続するためには、環状ゲノムが細胞分裂中に複製され、継承されなければならない。[ 42 ]
細胞は外来の細胞質DNAを認識できる。認識経路を理解することは、病気の予防と治療に関係する。[ 43 ] 細胞には、Toll様受容体（TLR）経路など、ウイルスDNAを特異的に認識できるセンサーがある。[ 44 ]
Toll 経路は、昆虫において、特定の細胞型がさまざまな細菌やウイルスのゲノムや PAMP (病原体関連分子パターン) を検出できるセンサーとして機能することを可能にする経路として最初に認識されました。PAMP は、自然免疫シグナル伝達の強力な活性化因子であることが知られています。ヒトには約 10 種類のToll 様受容体(TLR)があります。ヒトのさまざまな TLR は、さまざまな PAMP を検出します。TLR4 はリポ多糖、TLR3はウイルスdsRNA、TLR7 / TLR8はウイルス ssRNA、 TLR9はウイルスまたは細菌の非メチル化 DNA を検出します。TLR9 は、細菌やウイルスによく見られるCpG DNA を検出し、 IFN (I 型インターフェロン) やその他のサイトカインの産生を開始するように進化しました。[ 44 ]
染色体外DNAの遺伝は、染色体に含まれる核DNAの遺伝とは異なります。染色体とは異なり、ecDNAにはセントロメアがないため、異質な細胞集団を生み出す非メンデル遺伝パターンを示します。ヒトでは、細胞質のほぼすべてが母親の卵子から受け継がれます。[ 45 ]このため、mtDNAを含むオルガネラDNAは母親から受け継がれます。mtDNAまたはその他の細胞質DNAの突然変異も母親から受け継がれます。この片親遺伝は、非メンデル遺伝の一例です。植物もmtDNAの片親遺伝を示します。ほとんどの植物はmtDNAを母方から受け継ぎますが、例外として、mtDNAを父方から受け継ぐセコイア・センペルビレンスが挙げられます。 [ 46 ]
父方のミトコンドリアDNAが子孫にほとんど伝達されない理由には2つの説がある。1つは、父方のミトコンドリアDNAの濃度が母方のミトコンドリアDNAよりも非常に低いため、子孫では検出されないという単純な事実である。2つ目の、より複雑な説は、父方のミトコンドリアDNAが消化されて遺伝を防ぐというものである。突然変異率の高いミトコンドリアDNAの片親遺伝は、細胞質DNAのホモプラスミーを維持するためのメカニズムである可能性があると理論づけられている。[ 46 ]
染色体外要素（EE）とも呼ばれるこれらの要素は、真核生物のゲノム不安定性と関連付けられてきた。小型多分散DNA（spcDNA）は、染色体外DNAの一種であり、ゲノム不安定性と関連してよく見られる。spcDNAは、サテライトDNA、レトロウイルス様DNA要素、ゲノム内の転移因子などの反復配列に由来する。これらは遺伝子再編成の産物であると考えられている。
癌で見られる染色体外DNA（ecDNA ）は、これまでダブルミニット染色体（DM）と呼ばれており、光学顕微鏡下では対になったクロマチン体として観察される。ダブルミニット染色体は、単一体を含む癌含有ecDNAスペクトルの約30%を占め、単一体と同一の遺伝子内容を含んでいることがわかっている。[ 3 ] ecDNA表記は、癌細胞で見られる大型の癌遺伝子含有染色体外DNAのすべての形態を包含する。このタイプのecDNAは、さまざまな組織型の癌細胞でよく見られるが、正常細胞ではほとんど見られない。[ 3 ] ecDNAは、染色体の二本鎖切断または生物体内でのDNAの過剰複製によって生成されると考えられている。研究によると、癌やその他のゲノム不安定性の場合、EEのレベルが高くなることが示されている。[ 5 ]
ミトコンドリアDNAは、さまざまな方法で病気の発症に関与する可能性があります。mtDNAの点突然変異や代替遺伝子配列は、心臓、中枢神経系、内分泌系、消化管、眼、腎臓に影響を与えるいくつかの疾患と関連付けられています。[ 22 ] ミトコンドリアに存在するmtDNAの量が減少すると、ヒトの肝臓、中枢神経系、末梢神経系、平滑筋、聴覚に影響を与えるミトコンドリア枯渇症候群（MDD）として知られる一連の疾患につながる可能性があります。 [ 23 ] mtDNAコピー数と特定の癌の発症リスクを関連付けようとする研究では、結果がまちまちで、時には矛盾しています。mtDNAレベルの増加と減少の両方が乳癌の発症リスクの増加と関連していることを示す研究が行われています。mtDNAレベルの増加と腎腫瘍の発症リスクの増加との間に正の相関関係が観察されていますが、mtDNAレベルと胃癌の発症との間には関連性がないようです。[ 47 ]
染色体外DNAは、原生動物のグループであるアピコンプレックス門に見られます。マラリア原虫（プラスモジウム属）、エイズ関連病原体（トキソプラズマとクリプトスポリジウム）はどちらもアピコンプレックス門に属します。ミトコンドリアDNA（mtDNA）はマラリア原虫で発見されました。[ 48 ] マラリア原虫には2種類の染色体外DNAが見られます。1つは6kbの線状DNA、もう1つは35kbの環状DNAです。これらのDNA分子は、抗生物質の潜在的なヌクレオチド標的部位として研究されています。[ 49 ]
遺伝子増幅は、癌遺伝子活性化の最も一般的なメカニズムの 1 つです。癌における遺伝子増幅は、多くの場合、染色体外の環状要素で起こります。[ 50 ] [ 4 ]癌におけるecDNAの主な機能の 1 つは、腫瘍が急速に高コピー数に達することを可能にすると同時に、急速かつ大規模な細胞間遺伝的異質性を促進することです。[ 3 ] [ 8 ]癌で最も一般的に増幅される癌遺伝子は ecDNA 上にあり、非常に動的であることが示されており、均一染色領域 (HSR) として非天然染色体に再統合され[ 51 ] [ 3 ]、さまざまな薬剤治療に応じてコピー数と構成が変化します。[ 52 ] [ 7 ] [ 53 ]
ecDNAの環状構造は、染色体DNAの線状構造とは大きく異なり、がんの病因に影響を与えます。[ 54 ] ecDNAにコードされた癌遺伝子は、転写産物の量が膨大で、全トランスクリプトームの上位1%にランクインします。細菌プラスミドやミトコンドリアDNAとは対照的に、ecDNAはクロマチン化されており、活性ヒストン修飾が高レベルで含まれていますが、抑制性ヒストン修飾は少ないです。ecDNAのクロマチン構造は、染色体DNAに存在するような高次構造を欠いており、がんゲノム全体の中で最もアクセスしやすいDNAの一つです。この構造がコンパクトでないことで、転写因子や転写機構がアクセスしやすくなり、癌遺伝子の発現増加に直接的に寄与します。[ 54 ]
さらに、がんの三次元ゲノムランドスケープに関する研究では、ecDNAが核内で頻繁にクラスターを形成し、「ecDNAハブ」を形成することが示されています。[ 55 ]空間的に、これらのハブは分子間エンハンサー-プロモーター相互作用を促進し、がん遺伝子の過剰発現を促進します。研究により、ecDNAを含むがんは、他のタイプの構造変異と比較して、新しいエンハンサー-プロモーター相互作用の頻度が高く、ecDNAがエピジェネティック再配線の強力なドライバーであることが実証されています。[ 56 ]この「エンハンサー再配線」メカニズムにより、がん遺伝子は複数の遠隔調節エレメントと相互作用し、転写活性、がんの増殖、および不均一性が増加します。
その結果、癌性腫瘍におけるecDNAの存在は、予後不良および生存期間の著しい短縮と関連している。[ 50 ]この攻撃性は、癌遺伝子コピー数の大幅な増加、制御の再配線、および腫瘍内異質性に起因しており、これらが相まって腫瘍の進化と様々な癌治療に対する抵抗性を加速させる。[ 57 ] [ 3 ]
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