Что умеет ДНК, кроме передачи информации, как она работает вне клетки и можем ли мы это использовать
ДНК — ключевая молекула, несущая генетическую информацию о белках организма. В клетках она находится в ядре и митохондриях (кроме бактерий, у которых ядра и митохондрий нет). Клетка умеет эту информацию считывать, то есть синтезировать закодированные в ней белки, и передавать по наследству дочерним клеткам. Однако ДНК можно обнаружить не только внутри клеток, но и снаружи — такие молекулы назвали внеклеточной ДНК (вкДНК). Они существуют в тканях сами по себе и влияют на функционирование окружающих клеток.
Как это так — ДНК вне клетки?
Клетки бактерий могут выделять ДНК в окружающую среду — это связано с процессами их размножения и обмена информацией. Так, например, распространяется устойчивость к антибиотикам: одна бактерия приобретает соответствующий ген, копирует и делится им с остальной популяцией. У эукариотических (ядерных) организмов подобные процессы долгое время были неизвестны: полагали, что они используют ДНК только для хранения, считывания и передачи информации.
Но в 1948 году в плазме крови обнаружили внеклеточную ДНК — фракцию ДНК, не связанную с клетками и существующую отдельно от них. За последующие годы ученые нашли такую ДНК у всех исследованных организмов, от растений до животных и человека. Ее находили в межклеточном веществе, в циркулирующих жидкостях и даже в отдельно взятых культурах клеток. Похоже, что ДНК вне клеток встречается регулярно и, следовательно, может играть определенную роль в жизни организма.
Внеклеточная ДНК не похожа на обычную.
Геномная ДНК состоит из длинных нитей-хромосом, а вкДНК — набор небольших последовательностей, иногда в миллион раз короче хромосомы.
Случаен ли выбор этих последовательностей или нет — до сих пор остается спорным вопросом.
Внеклеточная ДНК не всегда находится в растворе сама по себе. Иногда она связана с гистонами — белками, которые клетка использует для компактной упаковки нитей ДНК в ядре. В других случаях вкДНК может встречаться внутри экзосом — пузырьков, окруженных мембраной, которые отпочковываются от клеток, путешествуют по организму и могут сливаться с другими клетками. Более того, одна группа ученых выделила из крови животных целый комплекс из ДНК, жиров и белков, отвечающих за ее копирование. То есть, вероятно, по организму плавают целые молекулярные машины, копирующие и распространяющие информацию прямо на ходу. Впрочем, какую часть от общей вкДНК составляют такие структуры, пока неизвестно.
Откуда появляется внеклеточная ДНК?
Кажется логичным, что вкДНК не образуется сама, а выделяется клетками. Что может заставить клетки выбрасывать наружу молекулы, несущие их наследственную информацию?
Гипотеза клеточной гибели предполагает, что ДНК высвобождается, когда разрушаются клетки. Эта теория помогает объяснить, почему вкДНК представлена маленькими фрагментами: например, при апоптозе (программируемой клеточной гибели) ДНК внутри клетки разрезается на небольшие участки, прежде чем вся клетка распадается. Также это согласуется с тем, что в состояниях, сопровождающихся гибелью клеток (инфаркт миокарда, ожоги), количество вкДНК в крови увеличивается.
Но не все так просто: внеклеточную ДНК находили в любых тканевых культурах, даже там, где не было массовой гибели клеток. Это пытается объяснить гипотеза «метаболической ДНК»: вероятно, клетки в ходе своей жизнедеятельности постоянно синтезируют новую ДНК, увеличивая количество копий информации, чтобы удобнее было ее считывать. Cо временем молекулы ДНК изнашиваются и клетки выделяют их в окружающую среду вместе с продуктами обмена веществ.
Существует и мнение, что выделение вкДНК — это способ клеток обмениваться сигналами. Так, например, из разных внутриорганизменных жидкостей были выделены мембранные пузырьки, содержащие небольшие количества ДНК. Такие пузырьки могут сливаться с клетками, передавая им молекулы ДНК.
Изображение: Алиса Муравьева
У меня в крови нашли ДНК. Это плохо?
Внеклеточная ДНК — естественный компонент плазмы крови, и ее можно обнаружить у любого человека. В норме ее концентрация довольно низкая, хотя и может варьировать, но в случае патологических и стрессовых состояний количество вкДНК резко вырастает. Например, при ожогах или заболеваниях, связанных с массовой гибелью клеток, — инфаркте миокарда или ревматоидном артрите. Даже у здорового человека возможны сильные колебания уровня вкДНК, если он подвергается стрессу, например сильной физической нагрузке. Однако после прекращения нагрузки концентрации возвращаются к нормальным значениям.
Сложнее обстоит дело при онкологических заболеваниях. Не до конца понятно, откуда в этом случае возникает вкДНК — в результате гибели здоровых тканей или как продукт целенаправленного выделения опухолевых клеток. Тем не менее ее количество также сильно отличается от нормы.
Пока медицина не научилась диагностировать конкретные заболевания по концентрации вкДНК в крови, однако уже можно оценивать тяжесть состояния и прогнозировать развитие болезни.
Так, если сравнить количества вкДНК у людей, перенесших инфаркт миокарда, то оказывается, что чем больше вкДНК, тем сильнее осложнения и риск повторного инфаркта или остановки сердца.
Возможно, тщательное изучение последовательностей вкДНК поможет ставить более точные диагнозы. На это делают ставку и в области пренатальной диагностики: в крови матери присутствует вкДНК плода, а это значит, что можно получить генетический материал ребенка без оперативного вмешательства. Это открывает широкое поле для генетических анализов — для выявления болезней плода (например, резус-конфликта) или определения пола.
Что клетки «думают» о внеклеточной ДНК?
Внеклеточная ДНК постоянно присутствует вокруг клеток, и можно предположить, что изменение ее концентрации или свойств послужит сигналом, на который другие клетки отреагируют.
На некоторые клетки повышение концентрации вкДНК оказывает активирующий эффект. Клетки иммунной системы способны запускать иммунный ответ при распознавании вкДНК. Это происходит за счет механизма, который в норме отвечает за реакцию на молекулы чужеродной, например вирусной, ДНК в крови. Те же самые рецепторы, которые узнают вирусную ДНК, реагируют и на собственную вкДНК организма, активируя клетки иммунной системы.
Для других клеток вкДНК может работать как сигнал тревоги — в них развивается «эффект свидетеля». Допустим, у нас есть культура клеток, подвергающаяся стрессу: низкий уровень кислорода, облучение или другие аномальные условия. В этих клетках ДНК повреждается и развивается окислительный стресс — накапливаются агрессивные вещества, разрушающие клеточное содержимое. Если перенести вкДНК, выделенную пострадавшими клетками, на культуру здоровых клеток, то в них также начинают обнаруживаться повреждения ДНК и окислительный стресс. Такие клетки называют «свидетелями», так как они переживают стресс, не подвергаясь действию изначальных факторов.
Изображение: Алиса Муравьева
Однако этим эффекты вкДНК не исчерпываются: она может стимулировать или замедлять деление клеток, влиять на активность генов и синтез белка. Судя по всему, вкДНК оказывает на многие клетки системный эффект, изменяя их физиологию, но конкретная его природа пока остается загадочной.
Что мы еще (не)знаем о внеклеточной ДНК?
В последнее время появились данные о том, что клетки животных и человека могут поглощать вкДНК из крови. В некоторых случаях эти молекулы достигают клеточного ядра, проникают внутрь и встраиваются в собственный геном клетки. Часто интеграция такой блуждающей молекулы вкДНК в геном заканчивается повреждением ДНК клетки-реципиента и ее гибелью. Но если встраивание оказывается успешным, процессы считывания информации меняются: фрагменты бывшей вкДНК блокируют работу генов в ядре клетки или запускают считывание собственной информации. Таким образом, перед нами особенный механизм межклеточного взаимодействия — обмен генетической информацией.
Этот механизм, вероятно, играет важную роль в развитии заболеваний. Несколько лет назад была сформулирована концепция «генного метастаза»: предполагается, что опухолевые клетки могут выделять множественные копии своих мутантных генов. Здоровые клетки их поглощают, интегрируют в свой геном и начинают производить мутантные опухолевые белки.
Похожие процессы теоретически могут происходить и при взаимодействии клеток разных организмов. Хотя вкДНК плода обнаруживается в крови матери, пока нет сведений о ее поглощении клетками. Зато обнаружено, что при переливании крови не только клетки донора поселяются в организме реципиента, но и вкДНК донора может интегрировать в клетки реципиента.
Исследования функций внеклеточной ДНК начались относительно недавно, однако уже можно говорить об открытии принципиально нового механизма коммуникации как между клетками в пределах организма, так, вероятно, и между самими организмами.
