Свободная ДНК в крови - происхождение, структура и эффект.

10¹¹–10¹² клеток, прежде всего клеток крови, гибнет в организме взрослого человека каждый день, и столько же клеток возникает вновь для поддержания гомеостаза. Несмотря на эффективные механизмы удаления погибших клеток, определённый объём генетического материала из них оказывается в кровотоке. В сыворотке можно найти мРНК, микроРНК, митоходндриальную ДНК и ДНК хромосом. Соотношение митохондриальной и ядерной ДНК сдвинуто в сторону митохондриальной в сыворотке по сравнению с клетками тканей. Крайне незначительная доля циркулирующей ДНК представлена ДНК бактериального, или вирусного происхождения. Повышение содержания ДНК в крови свидетельствует о различных заболеваниях, связанных с возрастом дегенеративных процессах, раке, хроническом воспалении, тяжёлой травме или аутоиммунном заболевании. ДНК в крови больных раком содержит нарушения, характерные для раковых клеток – мутации, изменения профиля метилирования, перестройки микросателлитов, что свидетельствует о её происхождении. У здорового человека отмена прямая связь между количеством циркулирующей ДНК и содержанием воспалительных цитокинов в крови.

При внесении ДНК, выделенной одной культурой клеток,  в другую культуру количество клеток, входящих в апоптоз возрастает. Эффект внеклеточной ДНК не является тканеспецифичным – если использовать в качестве источника ДНК и культуры, подвергающейся её воздействию, клетки различных тканей, эффект сохранится. Изменения, происходящие в клетках в ответ на ДНК, также не зависит от её последовательности.

Повреждающее действие объясняется тем, что эукариотические клетки способны захватывать нуклеиновые кислоты извне, как in vitro, так и in vivo, при этом захваченные фрагменты могут проникать ядро, встраиваться в геном (правда, очень редко) и транскрибироваться. Поступление нуклеиновых кислот извне может приводить к повреждению хромосом, индуцирует процессы ответа на повреждение ДНК, которые облегчают встраивание чужеродной ДНК в геном. Встраивание в геном было показано в экспериментах с использованием клеток, содержащих мутации. Клетки рака кишечника SW 480 содержат мутацию в обоих аллелях гена K-ras. После совместного культивирования с фибробластами в геноме фибробластов тоже обнаруживалась такая мутация, а так же была отмечена их злокачественная трансформация.

Различные  заболевания, в том числе – онкологические, могут приводить к окислению молекул ДНК в клетках организма. 8-оксогуанин – наиболее распространённая модификация, которая может быть связана как с повреждением цепи, так и с включением в неё уже повреждённого нуклеотида. Количество таких нуклеотидов повышается с возрастом, и, при злокачественных опухолях наблюдается и в здоровых тканях и клетках крови. Циркулирующая ДНК содержит повышенное количество 8-оксогуанина по сравнению с внутриклеточной, даже по сравнению с ДНК опухолевых клеток. На клеточных культурах показано, что цитотоксический эффект ДНК, подвергшейся окислительному воздействию, более выражен, чем эффект интактной ДНК.

Отмечены некоторые изменения структуры циркулирующей ДНК. Установлено, что повторы Alu представлены в ней в повышенном содержании. С другой стороны, транспозоны L1 и L2 теряются в молекулах, найденных в сыворотке. Все хромосомы представлены в циркулирующей ДНК пропорционально своему размеру, за исключением хромосомы 19, содержание которой по пока не выясненным  причинам понижено. Интересно, что эта хромосома характеризуется максимальным содержанием повторов Alu и GC.

Нуклеиновые кислоты в кровотоке находятся во фрагментированном состоянии.

Средняя длина фрагмента циркулирующей ДНК - 180 п.н., редко это значение превышает 500 п.н. Следует отметить, что 180 п.н. – это количество ДНК, входящее в нуклеосому (комплекс белков-гистонов и ДНК, единица укладки ДНК в клетке). Это наиболее представленные во внеклеточной ДНК фрагменты, и, как выяснилось, они действительно присутствуют в циркуляции в составе комплексов с белками а так же РНК. Гистоны также присутствуют в циркуляции. Они являются цитотоксичными по отношению к клеткам эндотелия и  могут проходить через мембраны. Гистоны взаимодействуют с рецептором TLR9, активируя эндоцитоз ДНК клетками иммунной системы. Однако, это не единственный механизм. Если блокировать этот рецептор, клетки перестанут вырабатывать NO, в них не будут происходить перестройки хроматина в ответ на внесение в среду ДНК, как это происходит обычно, но, при этом, по-прежнему будут вырабатывать активные формы кислорода. Вероятно, ДНК, поступающая извне, может воздействовать на клетку различными путями. Однако если обработать нуклеосомы ДНК-азами и протеазами эффект будет утрачен полностью, что свидетельствует о важности и ДНК и её белкового носителя для воздействия на клетку.

Основным источником ДНК в сыворотке считаются погибшие клетки, однако, не исключено, что может происходить активная секреция этих молекул клетками. Циркулирующая ДНК может иметь сигнальную функцию. Если обработать клетки внеклеточной ДНК облучённых клеток и собрать внеклеточную ДНК для последующей обработки ещё одной культуры интактных клеток, то такое воздействие вызовет в этой культуре ответ, сходный с ответом на внеклеточную ДНК повреждённых клеток. Если использовать в эксперименте внеклеточную ДНК из клеток, не подвергавшихся никаким неблагоприятным воздействиям, такого эффекта наблюдаться не будет. Таким образом, вокруг повреждённой области гибнет какое-то количество клеток, воздействие на которые со стороны повреждающего фактора не было смертельным.