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マイクロDNAはヒトにおいて最も豊富に存在する染色体外環状DNA （eccDNA）のサブタイプであり、通常200～400塩基対の長さで、非反復ゲノム配列が豊富で、エクソンが高密度に存在する。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]さらに、マイクロDNAは、5'および3'UTR内によく見られるCpGアイランドを持つ領域から生じることがわかっている。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]転写が活発な領域から生成されることから、マイクロDNAは転写DNA損傷修復の副産物として形成される可能性があると仮説が立てられている。[ 5 ]マイクロDNAは、他のDNA修復経路からも生じると考えられており、これは主にマイクロDNAの親配列の末端に2～15 bpの直接反復配列があり、複製スリップ修復につながるためである。[ 3 ]マイクロDNAは最近発見されたばかりであり、細胞内外で果たす役割はまだ完全には解明されていない。[ 5 ]しかし、マイクロDNAは現在、転写因子結合を介して細胞恒常性に影響を与えると考えられており、癌バイオマーカーとして使用されています。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
マイクロDNAは、eccDNA抽出と同様のプロトコルによって発見されました。[ 5 ]具体的には、多重置換増幅によってeccDNAクローンが生成され、サンガーシーケンスによって配列決定され、マイクロDNAの発見につながりました。[ 5 ]現在では、ハイスループットシーケンスがより一般的な手法となっているため、哺乳類eccDNAの完全なゲノム配列は、eccDNAのローリング増幅産物のシーケンスによって得られています。[ 5 ]次に、計算手法を使用して、DNAの接合配列を特定しました。[ 4 ] 180 bpと380 bpの長さで見つかったピークはマイクロDNAとして発見され、CpGアイランドと隣接する2～15 bpの直接反復によって特徴付けられました。[ 4 ]
発見以来、マイクロDNAはマウス組織やヒト癌細胞株を含むあらゆる組織型や様々なサンプルで同定されている。[ 5 ] [ 6 ]しかし、種によってマイクロDNAを特異的に産生するゲノム部位が異なる。[ 5 ]特定の種内の複数の細胞や組織型でマイクロDNAを産生する共通のゲノムスポットが存在するため、マイクロDNAはDNA合成の副産物としてのみ産生されるわけではないという証拠がある。[ 5 ]しかし、研究により、異なる組織の細胞株から抽出されたマイクロDNAが別々にクラスター化していることが明らかになっており、その形成は細胞系統や異なる細胞型に見られる独自の転写環境と関連している可能性がある。[ 4 ] [ 5 ]
マイクロDNAの形成は依然として不明ですが、転写活性と複数のDNA修復経路に関連付けられています。[ 3 ] [ 5 ]マイクロDNAは転写活性/エクソン密度が高い領域から生成されるため、転写中のDNA修復から形成される可能性があります。[ 5 ]興味深いことに、転写中に形成される3本鎖DNA :RNAハイブリッド（Rループと呼ばれる）は、マイクロDNAと同様に、5'および3'UTR内のCpGアイランドで形成される傾向があります。[ 3 ] [ 5 ] RループはDNA損傷および遺伝的不安定性と相関しており、マイクロDNAはRループのDNA損傷応答中の1本鎖DNA（ssDNA）ループから形成される可能性があることを示唆しています。[ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]
短い直接反復配列（マイクロDNA遺伝子源の隣接領域に見られるもの）のDNA複製では、複製スリップにより、親鎖または産物鎖上にDNAループが形成される可能性がある。[ 3 ] [ 5 ]これを修復するために、ミスマッチ修復（MMR）経路はループを除去し、反復末端の連結により、一本鎖マイクロDNAが生成される。[ 3 ]その後、一本鎖マイクロDNAは二本鎖DNAに変換されるが、このプロセスはまだ不明である。[ 5 ]新たに複製された鎖上にループが形成された場合、ゲノムに結果的な欠失は生じないが、テンプレート鎖の切除により微小欠失が生じる可能性があることに注意することが重要である。[ 3 ] [ 5 ]マイクロDNA生合成におけるMMRの役割を理解するために、MMRの必須タンパク質であるMSH3を除去したDT40細胞でマイクロDNA量の分析を行った。[ 3 ] [ 5 ] DT40 MSH3-/- 細胞株から得られたマイクロDNAは、野生型と比較してCpGアイランドの濃縮度が高く、二本鎖マイクロDNAが80%以上減少していた。[ 3 ] [ 5 ]したがって、MMR経路はゲノム内の非CpGアイランドからのマイクロDNA生成に必須であり、CpG濃縮マイクロDNAは別の修復経路によって形成されると仮説が立てられている。[ 3 ]
また、テンプレートゲノム上のマイクロホモロジーのため、DNA切断や複製の一時停止（複製フォークの停止）が発生した場合、新しく合成されたDNAは環状化して一本鎖マイクロDNAになる可能性がある。[ 3 ] [ 5 ]これは、マイクロDNAの作成後にテンプレートDNAが修復されると、欠失がないことを意味する。[ 3 ]
MMR経路と複製フォークの停止によって生成されるマイクロDNAは、DNA複製のエラーの結果ですが、分裂していない細胞にもマイクロDNAが存在するという証拠があります。[ 5 ]これは、一部のマイクロDNAは、転移することが知られているLINE1要素の5'末端など、静止細胞でも発生する修復経路によって生成されることを意味します。 [ 3 ] [ 5 ] ゲノム内を移動するには、DNAトランスポゾンは、トランスポゾンを元の場所から除去し、ゲノム内の別の場所に挿入を触媒するトランスポザーゼを必要とします。 [ 3 ] したがって、トランスポゾンは2つの二本鎖DNA切断によって生成され、DNAに微小欠失も生成されます。[ 3 ]このdsDNA断片は、マイクロホモロジーを介した環状化によって環状化され、dsマイクロDNAが生成されます。[ 3 ]
マイクロDNAは長さが200～400bpと小さいため、タンパク質をコードするには小さすぎるが、分子スポンジングには重要である可能性がある。[ 4 ] [ 5 ]転写因子は、DNAの5'末端にあるプロモーターまたは調節配列に結合して転写を開始することが多い。[ 5 ]マイクロDNAは親遺伝子の5'UTRに由来することが多いため、転写因子のスポンジとして機能し、これらの転写因子はマイクロDNA上のそれぞれの認識部位にも結合することができる。[ 4 ] [ 5 ]これは、マイクロDNAが間接的に遺伝子発現と転写恒常性を制御できることを意味する。[ 4 ] [ 5 ]
一般的に、血流中に存在する核酸分子（循環性または細胞外性と呼ばれる）は、がんの診断や進行を含め、研究されている比較的新しい疾患バイオマーカーである。[ 7 ]細胞外DNA（cfDNA）などのこれらの分子は、細胞死の際に血液中に放出され、がんの場合、がん遺伝子の既知の変異に基づいて特定することができる。[ 7 ]
最近の研究では、がんバイオマーカーとしての細胞外核酸の使用がマイクロDNAにまで拡大されています。[ 7 ] cfmicroDNAはヒトおよびマウスの血清から得られ、上記のように細胞由来のマイクロDNAと類似していることから、cfmicroDNAは細胞内で産生されると結論付けられました。[ 7 ]同様に、腫瘍切除前後の肺組織を比較すると、腫瘍切除前のがん患者で循環マイクロDNA配列が長くなるという予想外の傾向を除いて、循環マイクロDNAの主要な特性に違いは見つかりませんでした。[ 7 ] cfmicroDNAの長さは手術後に短くなっていることがわかりました。[ 7 ]
細胞外DNAは血液からすぐに除去されるため、がんバイオマーカーとしては扱いが難しい。[ 7 ]しかし、環状DNAはRNaseやエキソヌクレアーゼによるDNA切断を受けにくいため、線状DNAよりも安定している。[ 5 ] [ 7 ]がん患者の血清中のcfmicroDNAの伸長が観察されていることと相まって、循環マイクロDNAは診断と治療後の進行の両方において優れたがんバイオマーカーとなる。[ 7 ]