Krótka historia pozachromosomowego kolistego DNA (eccDNA).

Obserwacje zjawiska niestabilności genomu towarzyszą nowoczesnej genetyce niemal od jej początku, za który uważane jest ukucie, w 1909 roku, terminu gen przez Wilhelma Joahannsena (Portin 2002). Pierwsze obserwacje niestabilnych loci prowadził Rollins A. Emerson (Emerson 1914), który „odkrył na nowo” prawa dziedziczenia Grzegorza Mendla. W latach trzydziestych XX wieku Barbara McClintock zaobserwowała chromosomy koliste (ring chromosomes, McClintock 1932). Na szczególną uwagę zasługuje fakt, iż struktury te zostały zaobserwowane zarówno w materiale traktowanym promieniami X, jak i materiale niemodyfikowanym. W wyniku tych obserwacji McClintock wysunęła tezę o ich korelacji ze zmiennością niektórych cech kukurydzy (McClintock 1932).

W roku 1938 McClintock opublikowała pracę opisującą cykl breakage-fusion-bridge (BFB), który jest jedną z dróg powstawania wspomnianych wyżej chromosomów kolistych (McClintock 1938). W roku 1940 Marcus M. Rhoades postawił tezę, iż niemożność zaobserwowania centromerów chromosomów telocentrycznych, w normalnych komórkach kukurydzy, wynika z ich niestabilności. W 1951 roku McClintock opublikowała swoje spostrzeżenia na temat „przenośnych” elementów genomu, które nazwała transpozonami (McClintock 1953). Praca ta została przyjęta krytycznie, głównie z powodu tego, iż ostatecznie obalała, cieszącą się wówczas wielkim powodzeniem tezę, iż genom jest stabilny i niezmienny w swej strukturze (Pray 2008).

Warto wspomnieć, iż termin biologia molekularna został pierwszy raz użyty w roku 1938 przez Warrena Weavera (Abir-Am 1982, Powell et al. 2007), jednakże za początek biologii molekularnej przyjmuje się lata pięćdziesiąte XX w., kiedy to William Astbury zdefiniował termin „biologia molekularna” w cyklu swoich wykładów pod patronatem Stowarzyszenia Harveya w Nowym Jorku (tzw. Harvey Lectures) (Powell et al. 2007). Tak więc można swobodnie przyjąć, iż teza o niestabilności genomu będąca dzisiaj, wielką nadzieją na dalszy rozwój biologii molekularnej (zwłaszcza w kontekście onkologii molekularnej), jest od niej znacznie starsza.

Pierwsze badania niestabilności genomu eukariotycznego były prowadzone głównie za pomocą metod cytologicznych (McClintock 1938, McClintock 1941, Rasmusson 2010), a nie metod biologii molekularnej. Obecnie, tradycyjne metody cytologiczne takie jak mikroskopowa obserwacja dzielących się komórek poddawanych promieniowaniu jonizującemu (np. Carballo et al. 2006) lub wybarwionych fluorescencyjnie, są nadal istotne, i w większości przypadków wystarczające do prowadzenia badań niestabilności dużych odcinków genomów eukariotycznych. Podczas gdy możemy, za ich pomocą, zdobyć wiele danych dotyczących ogólnych zagadnień powstawania czy zmian struktury określonych, dużych fragmentów genomów, to ich zastosowanie w badaniu struktury i funkcji mniejszych form DNA, powstających w wyniku niestabilności genomu są dość ograniczone, zwłaszcza na poziomie molekularnym.

EccDNA zostały odkryte przez Spriggsa w 1962 roku (Spriggs 1962), a następnie dokładniej zbadane w roku 1965 przez Davida Coxa w jądrach komórek z grupy nowotworów dziecięcych (Cox et al. 1965). Pochodzenie ich było niejasne, uważano je za artefakty, produkty rozpadu chromosomów lub efekty zanieczyszczeń mikrobiologicznych (Von Hoff 1990). Są to, najczęściej małe, cyrkularne formy dsDNA nazywane też elementami pozachromosomowymi (extrachromosomal elements, EE). Występują one powszechnie w jądrach komórek większości eukariotów, w tym w komórkach ssaczych (prawidłowych, jak i zmienionych). Podwyższony poziom tych form DNA jest ściśle związany z nowotworzeniem, niestabilnością genomu i procesami starzenia (Sinclair 1997, Kuttler 2007).

W latach dziewięćdziesiątych i dwutysięcznych zaczęto identyfikować sekwencje niesione przez eccDNA – odkryto tandemowe powtórzenia np. genów kodujących histony lub rybosomowe RNA (Cohen 2003, Sinnclair 1997) oraz sekwencje telomerowe (Kuttler 2007, Cohen 2002), sekwencje podobne do transpozonów (Sinclair 1997), sekwencje satelitarne (Cohen 2006), sekwencje protoonkogenów (Van Devanter et al. 1990) oraz sekwencje autonomicznie się replikujące (podobnie jak to jest u bakterii).

Niestabilność genomu eukariotycznego nadal jest słabo poznanym zagadnieniem biologii molekularnej, mimo iż, jak wspomniano wyżej, mowa o zagadnieniu poruszonym niemal wiek temu. Ten stan rzeczy doprowadził że eccDNA musiało zostać „odkryte na nowo”. Na przykład Yoshiyuki Shibata oraz So Mee Kwon nazywa je „nowymi formami” DNA odkrytymi „niedawno” za pomocą sekwencjonowania nowej generacji (Shibata 2012, Kwon 2012).

Literatura:

  1. Abir-Am, P. (1982). The Discourse of Physical Power and Biological Knowledge in the 1930s: A Reappraisal of the Rockefeller Foundation’s Policy in Molecular Biology. Social Studies of Science, 12(3), 341-382.
  2. Carballo, J. A., Pincheira, J., & De La Torre, C. (2006). The G2 checkpoint activated by DNA damage does not prevent genome instability in plant cells. Biological Research, 39(2), 331.
  3. Cohen, S., & Méchali, M. (2002). Formation of extrachromosomal circles from telomeric DNA in Xenopus laevis. EMBO Reports, 3(12), 1168-1174.
  4. Emerson, R. A. (1914). The inheritance of a recurring somatic variation in variegated ears of maize. American Naturalist, 87-115.
  5. Kuttler, F., & Mai, S. (2007). Formation of non-random extrachromosomal elements during development, differentiation and oncogenesis. In Seminars in Cancer Biology (Vol. 17, No. 1, pp. 56-64). Elsevier.
  6. Kwon, S. M., Cho, H., Choi, J. H., Jee, B. A., Jo, Y., & Woo, H. G. (2012). Perspectives of integrative cancer genomics in next generation sequencing era. Genomics & Informatics, 10(2), 69-73.
  7. McClintock, B. (1932). A correlation of ring-shaped chromosomes with variegation in Zea mays. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 18(12), 677.
  8. McClintock, B. (1938). The production of homozygous deficient tissues with mutant characteristics by means of the aberrant mitotic behavior of ring-shaped chromosomes. Genetics, 23(4), 315.
  9. McClintock, B. (1941). The stability of broken ends of chromosomes in Zea mays. Genetics, 26(2), 234.
  10. McClintock, B. (1953). Induction of instability at selected loci in maize. Genetics, 38(6), 579.
  11. Portin, P. (2002). Historical development of the concept of the gene. Journal of Medicine and Philosophy, 27(3), 257-286.
  12. Powell, A., O Malley, M. A., Muller-Wille, S., Calvert, J., & Dupré, J. (2007). Disciplinary baptisms: a comparison of the naming stories of genetics, molecular biology, genomics, and systems biology. History and Philosophy of the Life Sciences, 29(1), 5.
  13. Pray, L., & Zhaurova, K. (2008). Barbara McClintock and the discovery of jumping genes (transposons). Nature Education, 1(1).
  14. Rasmuson, M. (2010). Trends in genetics–before the molecular era. Hereditas, 147(5), 243-249.
  15. Shibata, Y., Kumar, P., Layer, R., Willcox, S., Gagan, J. R., Griffith, J. D., & Dutta, A. (2012). Extrachromosomal microDNAs and chromosomal microdeletions in normal tissues. Science, 336(6077), 82-86.
  16. Sinclair, D. A., & Guarente, L. (1997). Extrachromosomal rDNA circles—a cause of aging in yeast. Cell, 91(7), 1033-1042.
  17. Spriggs, A. I., Boddington, M. M., & Clarke, C. M. (1962). Chromosomes of human cancer cells. British Medical Journal, 2(5317), 1431.
  18. Van Devanter, D. R., Piaskowski, V. D., Casper, J. T., Douglass, E. C., & Von Hoff, D. D. (1990). Ability of circular extrachromosomal DNA molecules to carry amplified MYCN protooncogenes in human neuroblastomas in vivo. Journal of the National Cancer Institute, 82(23), 1815-1821.
  19. Von Hoff, D. D., Forseth, B., Clare, C. N., Hansen, K. L., & VanDevanter, D. (1990). Double minutes arise from circular extrachromosomal DNA intermediates which integrate into chromosomal sites in human HL-60 leukemia cells. Journal of Clinical Investigation, 85(6), 1887.