ADN extracromosómico

El ADN extracromosómico (ADNec abreviado) es cualquier ADN que se encuentra fuera de los cromosomas, ya sea dentro o fuera del núcleo de una célula. La mayor parte del ADN en un genoma individual se encuentra en los cromosomas contenidos en el núcleo. Existen múltiples formas de ADN extracromosómico y, aunque algunas de ellas cumplen importantes funciones biológicas, también pueden desempeñar un papel en enfermedades, como el ecDNA en el cáncer.

En procariotas, el ADN extracromosómico no viral se encuentra principalmente en plásmidos, mientras que en eucariotas, el ADN extracromosómico se encuentra principalmente en orgánulos. El ADN mitocondrial es una fuente principal de este ADN extracromosómico en eucariotas. El hecho de que este orgánulo contenga su propio ADN apoya la hipótesis de que las mitocondrias se originaron como células bacterianas engullidas por células eucariotas ancestrales. El ADN extracromosómico se usa a menudo en la investigación de la replicación porque es fácil de identificar y aislar.

Aunque el ADN circular extracromosómico (eccDNA) se encuentra en las células eucariotas normales, el ADN extracromosómico (ecDNA) es una entidad distinta que se ha identificado en los núcleos de las células cancerosas y se ha demostrado que porta muchas copias de oncogenes conductores. Se considera que el ecDNA es un mecanismo primario de amplificación de genes, lo que da como resultado muchas copias de oncogenes conductores y cánceres muy agresivos.

Se ha encontrado que el ADN extracromosómico en el citoplasma es estructuralmente diferente del ADN nuclear. El ADN citoplasmático está menos metilado que el ADN que se encuentra dentro del núcleo. También se confirmó que las secuencias de ADN citoplasmático eran diferentes del ADN nuclear en el mismo organismo, lo que demuestra que los ADN citoplasmáticos no son simplemente fragmentos de ADN nuclear. En las células cancerosas, se ha demostrado que el ecDNA se aísla principalmente en el núcleo (revisado en ).

Además del ADN que se encuentra fuera del núcleo de las células, la infección de genomas virales también proporciona un ejemplo de ADN extracromosómico.

Procariótico

Aunque los organismos procarióticos no poseen un núcleo delimitado por una membrana como los eucariotas, sí contienen una región nucleoide en la que se encuentra el cromosoma principal. El ADN extracromosómico existe en procariotas fuera de la región nucleoide como plásmidos circulares o lineales. Los plásmidos bacterianos son típicamente secuencias cortas, que consisten en segmentos de 1 kilobase (kb) a unos pocos cientos de kb, y contienen un origen de replicación que permite que el plásmido se replique independientemente del cromosoma bacteriano. El número total de un plásmido particular dentro de una celda se conoce como el número de copias y puede variar desde tan solo dos copias por celda hasta varios cientos de copias por celda. Los plásmidos bacterianos circulares se clasifican según las funciones especiales que proporcionan los genes codificados en el plásmido. Los plásmidos de fertilidad, o plásmidos f, permiten que ocurra la conjugación, mientras que los plásmidos de resistencia, o plásmidos r, contienen genes que transmiten resistencia a una variedad de antibióticos diferentes, como la ampicilina y la tetraciclina. También existen plásmidos de virulencia que contienen los elementos genéticos necesarios para que las bacterias se vuelvan patógenas, así como plásmidos degradativos que albergan los genes que permiten que las bacterias degraden una variedad de sustancias tales como compuestos aromáticos y xenobióticos. Los plásmidos bacterianos también pueden funcionar en la producción de pigmentos, la fijación de nitrógeno y la resistencia a metales pesados ​​en aquellas bacterias que los poseen.

Los plásmidos circulares naturales pueden modificarse para contener múltiples genes de resistencia y varios sitios de restricción únicos, lo que los convierte en herramientas valiosas como vectores de clonación en aplicaciones biotecnológicas. Los plásmidos bacterianos circulares también son la base para la producción de vacunas de ADN. Las vacunas de ADN plasmídico están diseñadas genéticamente para contener un gen que codifica un antígeno o una proteína producida por un virus patógeno, una bacteria u otros parásitos. Una vez entregados en el huésped, los productos de los genes del plásmido estimularán tanto la respuesta inmunitaria innata como la respuesta inmunitaria adaptativa del huésped. Los plásmidos a menudo se recubren con algún tipo de adyuvante antes de la entrega para mejorar la respuesta inmunitaria del huésped.

Se han identificado plásmidos bacterianos lineales en varias especies de bacterias espiroquetas, incluidos miembros del género Borrelia (al que pertenece el patógeno responsable de la enfermedad de Lyme), varias especies de bacterias grampositivas del suelo del género Streptomyces, y en las especies gramnegativas Thiobacillus versutus, una bacteria que oxida el azufre. Los plásmidos lineales de los procariotas contienen un bucle de horquilla o una proteína unida covalentemente unida a los extremos teloméricos de la molécula de ADN. Los bucles de horquilla ricos en adenina-timina de la bacteria Borrelia varían en tamaño desde 5 kilopares de bases (kb) hasta más de 200 kb. y contienen los genes responsables de producir un grupo de proteínas de superficie importantes, o antígenos, en la bacteria que le permite evadir la respuesta inmunitaria de su huésped infectado. Los plásmidos lineales que contienen una proteína que se ha unido covalentemente al extremo 5' de las cadenas de ADN se conocen como invertrones y pueden variar en tamaño desde 9 kb hasta más de 600 kb y consisten en repeticiones terminales invertidas. Los plásmidos lineales con una proteína unida covalentemente pueden ayudar con la conjugación bacteriana y la integración de los plásmidos en el genoma. Estos tipos de plásmidos lineales representan la clase más grande de ADN extracromosómico, ya que no solo están presentes en ciertas células bacterianas, sino que todas las moléculas de ADN extracromosómico lineal que se encuentran en las células eucariotas también adoptan esta estructura de invertrón con una proteína unida al extremo 5'.

Los "borgs" lineales largos que coexisten con una especie de archaeon, que pueden albergarlos y comparten muchos de sus genes, podrían ser una forma desconocida de estructuras de ADN extracromosómicas.

Eucariota

Mitocondrial

Las mitocondrias presentes en las células eucariotas contienen múltiples copias de ADN mitocondrial denominado ADNmt que se encuentra dentro de la matriz mitocondrial. En los animales multicelulares, incluidos los humanos, el cromosoma de ADNmt circular contiene 13 genes que codifican proteínas que forman parte de la cadena de transporte de electrones y 24 genes que producen el ARN necesario para la producción de proteínas mitocondriales; estos genes se dividen en 2 genes de ARNr y 22 genes de ARNt. El tamaño de un plásmido de mtDNA animal es de aproximadamente 16,6 kb y, aunque contiene genes para la síntesis de tRNA y mRNA, todavía se requieren proteínas producidas como resultado de genes nucleares para que el mtDNA se replique o para que las proteínas mitocondriales se traduzcan. Solo hay una región del cromosoma mitocondrial que no contiene una secuencia de codificación y es la región de 1 kb conocida como bucle D a la que se unen las proteínas reguladoras nucleares. El número de moléculas de mtDNA por mitocondria varía de una especie a otra, así como entre células con diferentes demandas de energía. Por ejemplo, las células musculares y hepáticas contienen más copias de mtDNA por mitocondria que las células sanguíneas y de la piel. Debido a la proximidad de la cadena de transporte de electrones dentro de la membrana interna mitocondrial y la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), y debido al hecho de que la molécula de mtDNA no está unida ni protegida por histonas, el mtDNA es más susceptible al ADN. daño que el ADN nuclear.En los casos en que se produce daño en el ADNmt, el ADN puede repararse a través de vías de reparación por escisión de bases o la molécula de ADNmt dañada se destruye (sin causar daño a la mitocondria, ya que hay múltiples copias de ADNmt por mitocondria).

El código genético estándar mediante el cual se traducen los genes nucleares es universal, lo que significa que cada secuencia de ADN de 3 bases codifica el mismo aminoácido, independientemente de la especie de la que provenga el ADN. Sin embargo, esta naturaleza universal del código no es el caso del ADN mitocondrial que se encuentra en hongos, animales, protistas y plantas. Si bien la mayoría de las secuencias de 3 bases en el mtDNA de estos organismos codifican los mismos aminoácidos que los del código genético nuclear, hay algunas secuencias de mtDNA que codifican aminoácidos diferentes de los de sus contrapartes de ADN nuclear.

Codigo genetico	Tabla de traducción	Codón de ADN involucrado	Codón de ARN involucrado	Traducción con este código	Comparación con el código universal
Mitocondrial de vertebrados	2	AGA	AGA	Ter (*)	Arg (R)
AGG	AGG	Ter (*)	Arg (R)
ATA	AUA	Met (M)	Ile (I)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
Levadura mitocondrial	3	ATA	AUA	Met (M)	Ile (I)
CTT	CUU	Thr (T)	Leu (L)
CTC	CUC	Thr (T)	Leu (L)
CTA	CUA	Thr (T)	Leu (L)
CTG	CUG	Thr (T)	Leu (L)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
CGA	CGA	absent	Arg (R)
CGC	CGC	absent	Arg (R)
Moho, protozoos y celenterados mitocondriales	4 y 7	TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
Mitocondrial de invertebrados	5	AGA	AGA	Ser (S)	Arg (R)
AGG	AGG	Ser (S)	Arg (R)
ATA	AUA	Met (M)	Ile (I)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
Equinodermos y platelmintos mitocondriales	9	AAA	AAA	Asn (N)	Lys (K)
AGA	AGA	Ser (S)	Arg (R)
AGG	AGG	Ser (S)	Arg (R)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
ascidia mitocondrial	13	AGA	AGA	Gly (G)	Arg (R)
AGG	AGG	Gly (G)	Arg (R)
ATA	AUA	Met (M)	Ile (I)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
Mitocondrial de gusano plano alternativo	14	AAA	AAA	Asn (N)	Lys (K)
AGA	AGA	Ser (S)	Arg (R)
AGG	AGG	Ser (S)	Arg (R)
TAA	UAA	Tyr (Y)	Ter (*)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
mitocondrial clorofíceo	dieciséis	TAG	UAG	Leu (L)	Ter (*)
trematodo mitocondrial	21	TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)
ATA	AUA	Met (M)	Ile (I)
AGA	AGA	Ser (S)	Arg (R)
AGG	AGG	Ser (S)	Arg (R)
AAA	AAA	Asn (N)	Lys (K)
Scenedesmus obliquus mitocondrial	22	TCA	UCA	Ter (*)	Ser (S)
TAG	UAG	Leu (L)	Ter (*)
Thraustochytrium mitocondrial	23	TTA	UUA	Ter (*)	Leu (L)
Pterobranchia mitocondrial	24	AGA	AGA	Ser (S)	Arg (R)
AGG	AGG	Lys (K)	Arg (R)
TGA	UGA	Trp (W)	Ter (*)

Propiedades bioquímicas de los aminoácidos.

no polar

polar

básico

ácido

Terminación: codón de terminación

Se cree que las diferencias de codificación son el resultado de modificaciones químicas en los ARN de transferencia que interactúan con los ARN mensajeros producidos como resultado de la transcripción de las secuencias de ADNmt.

Cloroplasto

Los cloroplastos eucarióticos, así como los demás plástidos vegetales, también contienen moléculas de ADN extracromosómicas. La mayoría de los cloroplastos albergan todo su material genético en un solo cromosoma anillado, sin embargo, en algunas especies hay evidencia de múltiples plásmidos anillados más pequeños. Una teoría reciente que cuestiona el modelo estándar actual de ADN de cloroplasto en forma de anillo (cpDNA), sugiere que el cpDNA puede adoptar más comúnmente una forma lineal. Una sola molécula de cpDNA puede contener entre 100 y 200 genes y varía en tamaño de una especie a otra. El tamaño del cpDNA en plantas superiores es de alrededor de 120 a 160 kb. Los genes que se encuentran en el cpDNA codifican los mRNA que son responsables de producir los componentes necesarios de la ruta fotosintética, así como de codificar tRNA, rRNA, subunidades de ARN polimerasa y subunidades de proteína ribosómica. Al igual que el mtDNA, el cpDNA no es completamente autónomo y se basa en productos de genes nucleares para la replicación y producción de proteínas de cloroplasto. Los cloroplastos contienen múltiples copias de cpDNA y el número puede variar no solo de una especie a otra o de un tipo de célula a otro, sino también dentro de una sola célula dependiendo de la edad y la etapa de desarrollo de la célula. Por ejemplo, el contenido de cpDNA en los cloroplastos de células jóvenes, durante las primeras etapas de desarrollo donde los cloroplastos están en forma de proplastidios indistintos, es mucho más alto que el presente cuando la célula madura y se expande, que contiene plástidos completamente maduros.

Circular

El ADN circular extracromosómico (ADNecc) está presente en todas las células eucariotas, generalmente se deriva del ADN genómico y consiste en secuencias repetitivas de ADN que se encuentran tanto en las regiones codificantes como no codificantes de los cromosomas. EccDNA puede variar en tamaño desde menos de 2000 pares de bases hasta más de 20,000 pares de bases. En las plantas, el eccDNA contiene secuencias repetidas similares a las que se encuentran en las regiones centroméricas de los cromosomas y en el ADN satélite repetitivo. En animales, se ha demostrado que las moléculas de eccDNA contienen secuencias repetitivas que se ven en el ADN satélite, el ADN ribosómico 5S y el ADN de los telómeros. Ciertos organismos, como la levadura, dependen de la replicación del ADN cromosómico para producir eccDNA. mientras que la formación de eccDNA puede ocurrir en otros organismos, como los mamíferos, independientemente del proceso de replicación. La función de eccDNA no se ha estudiado ampliamente, pero se ha propuesto que la producción de elementos de eccDNA a partir de secuencias de ADN genómico se suma a la plasticidad del genoma eucariótico y puede influir en la estabilidad del genoma, el envejecimiento celular y la evolución de los cromosomas.

Un tipo distinto de ADN extracromosómico, denominado ecDNA, se observa comúnmente en las células cancerosas humanas. El ecDNA que se encuentra en las células cancerosas contiene uno o más genes que confieren una ventaja selectiva. El ecDNA es mucho más grande que el eccDNA y es visible al microscopio óptico. El ecDNA en los cánceres generalmente varía en tamaño de 1 a 3 MB y más. Se han encontrado grandes moléculas de ecDNA en los núcleos de las células cancerosas humanas y se ha demostrado que contienen muchas copias de oncogenes conductores, que se transcriben en las células tumorales. Sobre la base de esta evidencia, se cree que el ecDNA contribuye al crecimiento del cáncer.

Existen herramientas especializadas que permiten identificar ecDNA, como

• software desarrollado por Paul Mischel y Vineet Bafna que permite identificar ecDNA en imágenes microscópicas
• "Circle-Seq, un método para aislar físicamente ecDNA de las células, eliminar cualquier resto de ADN lineal con enzimas y secuenciar el ADN circular que queda", desarrollado por Birgitte Regenberg y su equipo en la Universidad de Copenhague.

Viral

El ADN viral es un ejemplo de ADN extracromosómico. Comprender los genomas virales es muy importante para comprender la evolución y mutación del virus. Algunos virus, como el VIH y los virus oncogénicos, incorporan su propio ADN al genoma de la célula huésped. Los genomas virales pueden estar formados por ADN monocatenario (ssDNA), ADN bicatenario (dsDNA) y se pueden encontrar tanto en forma lineal como circular.

Un ejemplo de infección de un virus que constituye un ADN extracromosómico es el virus del papiloma humano (VPH). El genoma del ADN del VPH pasa por tres etapas distintas de replicación: establecimiento, mantenimiento y amplificación. El VPH infecta las células epiteliales del tracto anogenital y la cavidad oral. Normalmente, el VPH es detectado y eliminado por el sistema inmunitario. El reconocimiento del ADN viral es una parte importante de las respuestas inmunitarias. Para que este virus persista, el genoma circular debe replicarse y heredarse durante la división celular.

Reconocimiento por la célula huésped

Las células pueden reconocer ADN citoplasmático extraño. Comprender las vías de reconocimiento tiene implicaciones para la prevención y el tratamiento de enfermedades. Las células tienen sensores que pueden reconocer específicamente el ADN viral, como la vía del receptor tipo Toll (TLR).

The Toll Pathway se reconoció, primero en insectos, como una vía que permite que ciertos tipos de células actúen como sensores capaces de detectar una variedad de genomas bacterianos o virales y PAMPS (patrones moleculares asociados a patógenos). Se sabe que los PAMP son potentes activadores de la señalización inmunitaria innata. Hay aproximadamente 10 receptores tipo Toll (TLR) humanos. Diferentes TLR en humanos detectan diferentes PAMPS: lipopolisacáridos por TLR4, dsRNA viral por TLR3, ssRNA viral por TLR7/TLR8, DNA no metilado viral o bacteriano por TLR9. TLR9 ha evolucionado para detectar el ADN CpG que se encuentra comúnmente en bacterias y virus y para iniciar la producción de IFN (interferones tipo I) y otras citoquinas.

Herencia

La herencia del ADN extracromosómico difiere de la herencia del ADN nuclear que se encuentra en los cromosomas. A diferencia de los cromosomas, el ecDNA no contiene centrómeros y, por lo tanto, exhibe un patrón de herencia no mendeliano que da lugar a poblaciones celulares heterogéneas. En los seres humanos, prácticamente todo el citoplasma se hereda del óvulo de la madre. Por esta razón, el ADN de los orgánulos, incluido el ADNmt, se hereda de la madre. Las mutaciones en el ADNmt u otro ADN citoplasmático también se heredarán de la madre. Esta herencia uniparental es un ejemplo de herencia no mendeliana. Las plantas también muestran herencia de mtDNA uniparental. La mayoría de las plantas heredan el mtDNA por vía materna, con una excepción notable que es la secoya Sequoia sempervirens que hereda el mtDNA por vía paterna.

Hay dos teorías por las que el mtDNA paterno rara vez se transmite a la descendencia. Una es simplemente el hecho de que el mtDNA paterno está en una concentración tan baja como la del mtDNA materno y, por lo tanto, no es detectable en la descendencia. Una segunda teoría, más compleja, implica la digestión del mtDNA paterno para evitar su herencia. Se teoriza que la herencia uniparental del ADNmt, que tiene una alta tasa de mutación, podría ser un mecanismo para mantener la homoplasmia del ADN citoplasmático.

Significación clínica

A veces llamados EE, elementos extracromosómicos, se han asociado con inestabilidad genómica en eucariotas. Los pequeños ADN polidispersos (spcDNA), un tipo de eccDNA, se encuentran comúnmente junto con la inestabilidad del genoma. Los SpcDNA se derivan de secuencias repetitivas como el ADN satélite, elementos de ADN similares a retrovirus y elementos transponibles en el genoma. Se cree que son producto de reordenamientos genéticos.

Históricamente, el ADN extracromosómico (ADNec) que se encuentra en el cáncer se ha denominado cromosomas de doble minuto (DM), que se presentan como cuerpos de cromatina emparejados bajo microscopía óptica. Los cromosomas de dos minutos representan ~30 % del espectro de ADNc que contiene cáncer, incluidos los cuerpos individuales, y se ha descubierto que contienen un contenido genético idéntico al de los cuerpos individuales. La notación ecDNA abarca todas las formas del ADN extracromosómico grande que contiene oncogenes que se encuentra en las células cancerosas. Este tipo de ecDNA se ve comúnmente en células cancerosas de diversas histologías, pero prácticamente nunca en células normales. Se cree que el ecDNA se produce a través de rupturas de doble cadena en los cromosomas o de una replicación excesiva del ADN en un organismo. Los estudios muestran que en casos de cáncer y otra inestabilidad genómica, se pueden observar niveles más altos de EE.

El ADN mitocondrial puede desempeñar un papel en la aparición de enfermedades de diversas formas. Las mutaciones puntuales o los arreglos genéticos alternativos del mtDNA se han relacionado con varias enfermedades que afectan el corazón, el sistema nervioso central, el sistema endocrino, el tracto gastrointestinal, los ojos y los riñones. La pérdida de la cantidad de mtDNA presente en las mitocondrias puede conducir a un subconjunto completo de enfermedades conocidas como síndromes de agotamiento mitocondrial (MDD) que afectan el hígado, los sistemas nerviosos central y periférico, el músculo liso y la audición en humanos. Ha habido resultados mixtos, ya veces contradictorios, en estudios que intentan vincular el número de copias de mtDNA con el riesgo de desarrollar ciertos tipos de cáncer. Se han realizado estudios que muestran una asociación entre el aumento y la disminución de los niveles de mtDNA y el aumento del riesgo de desarrollar cáncer de mama. Se ha observado una asociación positiva entre el aumento de los niveles de mtDNA y un mayor riesgo de desarrollar tumores renales, pero no parece haber una relación entre los niveles de mtDNA y el desarrollo de cáncer de estómago.

El ADN extracromosómico se encuentra en Apicomplexa, que es un grupo de protozoos. El parásito de la malaria (género Plasmodium), el patógeno relacionado con el SIDA (Taxoplasma y Cryptosporidium) son ambos miembros del grupo Apicomplexa. Se encontró ADN mitocondrial (ADNmt) en el parásito de la malaria. Hay dos formas de ADN extracromosómico que se encuentran en los parásitos de la malaria. Uno de ellos es el ADN lineal de 6 kb y el segundo es el ADN circular de 35 kb. Estas moléculas de ADN se han investigado como sitios potenciales de destino de nucleótidos para antibióticos.

Papel del ecDNA en el cáncer

La amplificación de genes es uno de los mecanismos más comunes de activación de oncogenes. Las amplificaciones de genes en el cáncer a menudo se encuentran en elementos circulares extracromosómicos. Una de las funciones principales del ecDNA en el cáncer es permitir que el tumor alcance rápidamente un alto número de copias, al mismo tiempo que promueve una heterogeneidad genética rápida y masiva de célula a célula. Los oncogenes amplificados con mayor frecuencia en el cáncer se encuentran en el ecDNA y se ha demostrado que son muy dinámicos, se reintegran en cromosomas no nativos como regiones de tinción homogénea (HSR) y alteran el número de copias y la composición en respuesta a diversos tratamientos farmacológicos.

La forma circular del ADNc difiere de la estructura lineal del ADN cromosómico en formas significativas que influyen en la patogénesis del cáncer. Los oncogenes codificados en ecDNA tienen un rendimiento transcripcional masivo, ubicándose en el 1% superior de los genes en todo el transcriptoma. En contraste con los plásmidos bacterianos o el ADN mitocondrial, el ecDNA está cromatizado y contiene altos niveles de marcas de histonas activas, pero una escasez de marcas de histonas represivas. La arquitectura de cromatina ecDNA carece de la compactación de orden superior que está presente en el ADN cromosómico y se encuentra entre los ADN más accesibles en todo el genoma del cáncer.

Los ecDNA podrían agruparse dentro del núcleo, lo que se puede denominar centros de ecDNA. Espacialmente, los centros de ecDNA podrían causar interacciones entre genes y potenciadores intermoleculares para promover la sobreexpresión de oncogenes.