Extrazelluläre DNA als Biomarker für Alterung und verschiedene Pathologien

    Wir haben Ihnen bereits von zirkulierender miRNA erzählt , aber es gibt auch eine andere coole Sache - extrazelluläre zirkulierende DNA (englische zellfreie DNA, zirkulierende DNA). Es wurde 1948 eröffnet. Jetzt hat das Interesse an ihr zugenommen, und das ist eigentlich der Punkt.

    Extrazelluläre DNA (cfDNA) kommt in verschiedenen Körperflüssigkeiten vor: in Plasma und Serum, Urin, Speichel, Synovial-, Peritoneal- und Zerebrospinalflüssigkeit.
    Wir werden die Merkmale der vCDNA in zwei Flüssigkeiten betrachten: Blut und Urin. Es ist klar, dass die Diagnose bequemer ist.


    Quellen für vkDNA im Körper


    Wie bekannt wurde, zirkuliert vkDNA im Blut als Teil von apoptotischen Körpern, Mikrovesikeln, Nukleosomen, Exosomen, Nukleoproteinkomplexen mit Blutproteinen und vermutlich in freier Form.

    Es wird angenommen, dass die Ursachen für das Auftreten von cfDNA im Blut Zelltodprozesse, die Reifung roter Blutkörperchen, die Sekretion von DNA durch Zellen sowie Bakterien und Viren sind. Wir stellen sofort fest, dass die letztgenannte Quelle, die DNA von Bakterien und Viren, einen sehr geringen Beitrag zum Gesamtpool zirkulierender DNA leistet und der Gehalt an exogener DNA während Infektionen einige zehn pg / ml nicht überschreitet. Nach heutigen Daten liegt der normale ccDNA-Spiegel in einem gesunden Organismus im Plasma bei 3 - 44 ng / ml und im Serum bei 50 - 100 ng / ml.

    Ein erheblicher Teil der cDNA im Körper ist wahrscheinlich auf den Zelltod zurückzuführen, bei dem Apoptose, Nekrose und Nontose auftreten. Etwa 100 Milliarden Zellen pro Tag werden im Körper eines Erwachsenen durch programmierten Zelltod (Apoptose) getötet, wodurch etwa 1 g DNA pro Tag abgebaut wird.

    Während der Apoptose wird nukleare DNA durch ein spezielles Enzym DNase gespalten. Danach treten DNA-Fragmente mit einer Länge eines multiplen Nukleosoms (180–200 bp, bp-Basenpaare) auf, die als Teil apoptotischer Körper (Spezialverpackung nach Apoptose) durch Makrophagen entsorgt werden müssen. Jeder weiß, dass Nukleotidpaare (Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin) in unserer DNA drei Milliarden Mal wiederholt werden. Nukleosomen sind spezielle Strukturen in der Zusammensetzung des Chromatins, bestehend aus Histonproteinen, auf denen ein DNA-Strang in eineinhalb Windungen aufgewickelt ist.

    Dann passiert etwas Seltsames. Aus unbekannten Gründen vermeidet ein Teil der DNA der toten Zellen das Treffen mit Makrophagen und gelangt in das Blut. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden Experimente durchgeführt, um die apoptotische Natur von vcDNA zu bestätigen [1, 2].

    Bei der Aufteilung des cfdn-Plasmas von gesunden Spendern mit Hilfe der Gelelektrophorese werden Banden detektiert, die Fragmentlängen von 180-200 bp entsprechen. und ein Vielfaches der Längen dieser Zahl, was der internukleosomalen Chromatinspaltung während der Apoptose entspricht. Der Nachweis von fötaler DNA im Blut der Mutter spricht auch für Apoptose als Quelle für cDDNA [3].

    Normalerweise leistet die Nekrose einen geringeren Beitrag zur Entstehung von EcDNA und erhöht deren Anzahl bei schweren Verletzungen. Nekrotische VKDNA im Plasma wird in Form längerer Fragmente gefunden - mehr als 10.000 bp lang. Mit der PCR-Methode (Polymerase Chain Reaction) kann zwischen langen cDDNA-Fragmenten, die aus Nekrose resultieren, und kürzeren Fragmenten aufgrund von Apoptose unterschieden werden.

    Neben Apoptose und Nekrose gibt es eine andere, kaum bekannte Art des Zelltods, die die Ursache der vcDNA-Netosis (NETosis) darstellt.

    Wenn nicht-toxische, neutrophile Zellen spezielle netzähnliche Strukturen emittieren, bilden extrazelluläre neutrophile Fallen (NET, Neutrophil Extracellular Trap), deren Aufgabe es ist, den in den Körper eingedrungenen Erreger zu deaktivieren: Viren, Pilze und Bakterien. Zur gleichen Zeit sterben Neutrophile und werfen DNA, Histone, verschiedene Proteine ​​und Enzyme in den extrazellulären Raum. Es ist bekannt, dass der NET-Prozess manchmal pathologischer Natur ist und zur Entwicklung von Thrombosen, Herz-Kreislauf- und Autoimmunkrankheiten sowie von Krebs beiträgt.

    Vor kurzem, im Jahr 2018, wurde entdeckt, dass während einer HIV-Infektion eine Hyperaktivierung von Neutrophilen stattfindet, der Mechanismus von NET und Netoz. Infolgedessen kam es zu einem ausgedehnten Tod von Immunzellen, die durch Netzwerke von Neutrophilen, CD4 + - und CD8 + T-Zellen, B-Zellen und Monozyten eingefangen wurden, und die Entwicklung begleitender kardiovaskulärer Pathologien [4].

    Eine weitere potenzielle Quelle für cDDNA ist die Sekretion von DNA durch normale Zellen und Tumorzellen. Bereits 1972 wurden Hinweise auf eine aktive Sekretion von DNA durch Lymphozyten in die extrazelluläre Umgebung gefunden [5].

    Das Vorhandensein eines solchen Phänomens wie die DNA-Extraktion durch Zellen in die extrazelluläre Umgebung impliziert die Existenz spezieller Mechanismen für den Transfer von DNA durch die Zellmembran. Im Verlauf der Forschung wurde festgestellt, dass die Freisetzung von DNA aus Lymphozyten mit der aktiven Wirkung von Trypsin, Pronase und Plasmin vor dem Hintergrund des Mangels an Ca2 + - und Mg2 + -Ionen erfolgt. Der Überschuss an Calciumionen hemmt die Freisetzung von DNA aus der Zelle [6].

    Russischen Biochemikern der Kazan State University zufolge könnte eine andere mögliche Quelle für ccDNA im Blut eine völlig unbekannte Form zytoplasmatischer DNA sein, mit Ausnahme der Kern- und Mitochondrien-DNA, die mit der Membran von humanen diploiden Lymphozyten (Diplomat Human Lymphocytes) assoziiert ist. ) [7].

    Obwohl diese Art von DNA 1971 entdeckt wurde, ist sie immer noch unerforscht, und es gibt einige Werke derselben Autoren, obwohl in PNAS und Nature.

    Unter der Annahme Abramova ZI Mit Co-Autoren kann ein Teil der cDDNA aus dieser zytoplasmatischen DNA gebildet werden, wie die charakteristischen Merkmale einiger cDDNA-Fragmente zeigen, die sich von Kern- und Mitochondrien unterscheiden [6].



    Abb.1 Verschiedene Wege, über die cfDNA in den Kreislauf gelangt.

    Weitere Einzelheiten zu allen Aspekten der Biologie von ccDNA (immunmodulatorische Effekte, Empfang von ccDNA auf der Zelloberfläche usw.) finden Sie in der ausführlichen Übersicht von Professor V. Kozlov. (Forschungsinstitut für klinische Immunologie, Sibirische Abteilung der Russischen Akademie der Medizinischen Wissenschaften) [8].


    Extrazelluläre DNA als Biomarker in verschiedenen Pathologien


    Die Logik besagt, dass sich die Konzentrationen der in-cDNA in den Pathologien ändern sollten, die von massivem Zelltod begleitet werden. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die ccDNA-Spiegel bei der Entwicklung von Autoimmunkrankheiten (systemischer Lupus erythematodes, systemische Sklerodermie, rheumatoide Arthritis usw.) signifikant ansteigen und charakteristische Merkmale einer für eine bestimmte Autoimmunpathologie charakteristischen cDNA aufweisen [8-10].

    Es ist auch bekannt, dass bei akutem Myokardinfarkt, der den Tod von Herzzellen durch die Art von Nekrose und Apoptose begleitet, auch die cDNA-Spiegel ansteigen. Und dies hatte einen potenziellen diagnostischen Wert, da Patienten mit Komplikationen höhere Spiegel hatten als Patienten, die sich besser erholten [11].

    Bei Patienten mit akutem Schlaganfall korreliert die innerhalb von 24 Stunden gemessene Plasmakonzentration von cfDNA mit der Schwere des Schlaganfalls und kann als Prädiktor für Mortalität und Schwere des Ergebnisses dienen, selbst bei Patienten, bei denen keine durch Neuroimaging-Methoden sichtbaren Veränderungen festgestellt werden [12,13]. .

    Es ist bekannt, dass eine große Anzahl von Guanin-Cytosin (GC) -Sequenzen, die gegenüber einem Abbau durch Nukleasen resistenter sind als Adenin-Thymin-DNA-Fragmente, für vcDNA charakteristisch sind. Somit ist der Gehalt einer spezifischen GC-reichen Genomsequenz - der transkribierten ribosomalen Wiederholungsregion - als Teil der cDNA um ein Vielfaches höher als der Inhalt dieser Wiederholung in Kern-DNA [14].

    Bei chronischen Erkrankungen, die eine Aktivierung des Zelltods (ischämische Herzkrankheit, arterielle Hypertonie, Autoimmunpathologien) mit sich bringen, beträgt der Gehalt dieser HZ-reichen Markersequenzen in der Blut-cDNA 10 oder mehr [15]. Dadurch ist es möglich, die Indikatoren für HZ-angereicherte ribosomale DNA als Teil der cDNA als Biomarker eines chronisch pathologischen Prozesses zu verwenden.

    Bei der Bekämpfung von Krebs besteht die Herausforderung darin, den Tumor so früh wie möglich zu erkennen. Hier ist CCNC als Biomarker der Tumorgenese von außerordentlichem Interesse.

    Punktmutationen in der Tumor-vcDNA wurden schon lange vor der Diagnose im Blut von Patienten nachgewiesen [16].

    Pro cDDNA-Spiegel in der Onkologie suchen in der ccDNA-Zusammensetzung nach Mutationen, die für die Carcinogenese charakteristisch sind, wie KRAS, HER2, BRCA1-Onkogene, APC, PIK3CA, BRAF usw., wobei die mitochondriale DNA als Bestandteil der cDDNA verwendet wird, wobei charakteristische genetische und epigenetische Veränderungen untersucht werden vkDNK, wie die Hypomethylierung mobiler Elemente von Alu, im Falle von Tumoren, die Verwendung des "Integritätsindex" in cDNA und andere Aspekte können in den Werken von Vasilyeva et al., Gonzalez-Masia et al. [17, 18].

    Es wurde festgestellt, dass ein höherer Oxidationsgrad unter dem Einfluss reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) für vcDNA charakteristisch ist als Kern-DNA.

    Somit liegt der Gehalt des bekannten Markers für die DNA-Oxidation, 8-oxG, in der Zusammensetzung von Kern-DNA normalerweise und bei verschiedenen Pathologien im Bereich von 1 bis 10 pro Million Nukleotide, und als Teil der cDNA beträgt der Gehalt dieses Markers 300 oder mehr pro Million Nukleotide [19].

    In der Onkologie und bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen, die mit oxidativem Stress einhergehen, wurde ein starker Anstieg des Gehalts an 8-OchodG in cfDNA festgestellt, der Werte von 3000 8-OxodG pro Million Nukleotide erreichen kann [20].

    Im Allgemeinen wird angenommen, dass die 8-oxG-Spiegel in der Zusammensetzung der cDNA ein empfindlicher Marker für den gesamten oxidativen Stress im Körper sind.


    Abb. 2. Zirkulierende extrazelluläre DNA - ein Marker für verschiedene pathologische Zustände, begleitet von erhöhtem Zelltod.

    Extrazelluläre DNA als mobiles Element


    Ein großer und sehr wichtiger Durchbruch bei der Erforschung der Rolle von vCDNA in internen Prozessen erfolgte vor 3 Jahren. Im Jahr 2015 machte eine Gruppe von Forschern eine faszinierende Entdeckung, die zeigte, dass cDDNA wie mobile genetische Elemente in die nukleare DNA eindringen und Mutationen im Genom verursachen kann [21]. Das ist alles sehr erstaunlich.

    Frühere Arbeiten haben bereits gezeigt, dass Tumor-DNA aus Blut möglicherweise in die nukleare DNA integriert werden kann. Maus-Fibroblasten wurden in Plasma von Patienten mit Dickdarmkrebs eingebracht, wonach K-ras-Onkogene und p53-Apoptose-p53-Proteingene in Maus-DNA nachgewiesen wurden und die Zellen selbst onkologisch transformiert wurden (Krebs wurde bei gesunden Mäusen eingeführt) [22 ]. Dies zeigt an, dass DNA aus dem Plasma von den darin platzierten Zellen absorbiert und integriert wurde. Dieses angebliche Phänomen - die Absorption von Onkogenen durch gesunde Zellen aus zirkulierender vcDNA im Blut - kann für den Metastasierungsprozess verantwortlich sein und wird als "Genomestase" bezeichnet.

    Ein anderer Artikel lieferte Daten zur Aufnahme und Integration von Fragmenten des DYS14-Gens, die für das Y-Chromosom spezifisch sind, im Gehirn einer Frau, die einen männlichen Fötus trägt [23].

    In einer Studie aus dem Jahr 2015 konnten die Wissenschaftler nachvollziehen, wie fluoreszenzmarkierte vcDNA von Krebspatienten und gesunden Menschen in In-vitro-Experimenten (dh außerhalb eines lebenden Organismus, in Zellkulturen) leicht in die Kern-DNA von Maus-Fibroblasten eingebaut wurde. Darüber hinaus war humane cfDNA für einige Minuten in den Kernen von Mäusezellen lokalisiert, und fast 100% der Kerne von Mäusezellen zeigten 30 Minuten lang fluoreszierende Signale.

    Die Sequenzierung des gesamten Genoms von Mauszellen zeigte das Vorhandensein von humanen DNA-Fragmenten darin, einschließlich der charakteristischen mobilen Elemente von Alu. Darüber hinaus fanden die Autoren eine Induktion von γ-H2AX-Foci aufgrund von DNA-Schäden sowie eine Erhöhung der Aktivität von Caspase-3 und der Expression der Gene ATM, p53, p21, GADD-34 und DNA-Ligase. Das alles deutet auf eine erhöhte Instabilität des Genoms hin, Aktivierung der Reaktion auf DNA-Schäden und Apoptose.

    Dann testeten die Autoren die Wirkung der fremden VkDNA in vivo an einem lebenden Organismus. Den Mäusen wurde menschliche cDNA intravenös injiziert, wobei Fragmente in Herz, Lunge, Leber und Gehirn von Mäusen gefunden wurden, die 7 Tage nach der Injektion getötet wurden.

    Darüber hinaus waren menschliche DNA-Partikel, die Mäusen verabreicht wurden, in der Lage, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren und in das Gehirn einzudringen. Wie im Fall von Zellen in Kultur induzierte die intravenöse Verabreichung von ecDNA die Induktion von γ-H2AX, die proapoptotische Caspase-3 und die Aktivierung der Reaktion auf DNA-Schäden. Laut Wissenschaftlern spielt die Reaktion auf DNA-Schäden die zentrale Rolle bei der vDNA-Integration in das Nuklearsystem.

    Nuclear DNA nimmt die extrazelluläre Insertion als doppelsträngigen Bruch wahr und beginnt sich selbst zu "patchen", indem sie zirkulierende DNA in seine Zusammensetzung einfügt: "Durch die Aktivierung der Reaktion auf DNA-Schäden werden mehrere heterogene cDDNA und fragmentiertes Chromatin mittels eines nicht-homologen Endes als Teil des Wiederherstellungsprozesses zu langen Concatemeren kombiniert."

    Die Autoren kommen zu einer paradoxen Schlussfolgerung: „Da allgegenwärtig und ständig vorkommende Schäden an der Kern-DNA durch extrazellulär zirkulierende DNA verursacht werden, kann dies die Hauptursache für das Altern sein, die mit Alterungsstörungen und dem endgültigen Tod des Organismus einhergeht. Daher spielt die DNA wahrscheinlich die paradoxe Rolle sowohl des Verwahrers der Lebensgrundlagen als auch des Zerstörers des Lebens selbst. “

    Es ist unnötig zu erwähnen, dass diese Schlussfolgerung allen heutigen Vorstellungen vom Altern sehr zuwiderläuft.

    Die Logik schreibt vor, dass die folgende Abhängigkeit dieser Hypothese entsprechen würde: Je länger die Lebensdauer einer Art ist, desto kleiner ist das Individuum dieser Form von DNA und / oder es ist für diese Art weniger gefährlich.

    Bis zum Abschluss einer solchen vergleichenden Studie bleibt jedoch davon auszugehen, dass in den langlebigen Arten (Mensch) und kurzlebigen (Mäusen) vermutlich cDNA in relativ vergleichbaren Mengen produziert wird. Und der Nachweis erhöhter Konzentrationen dieser Moleküle bei älteren Menschen kann im Gegenteil eine Folge des Alterungsprozesses sein und nicht seine Ursache.

    Dies ist zwar eine Folge, die die Ursache verstärken kann. Lesen Sie den Artikel Belikov.

    Außerdem schlagen die Autoren der Entdeckung vor, cDNA einer anderen Klasse von mobilen genetischen Elementen zuzuordnen. Und dann wird vielleicht eine breite Beteiligung an der Entwicklung eines solchen Prozesses wie des horizontalen Gentransfers sowohl bei wirbellosen Tieren als auch bei Wirbeltiervertretern der Tierwelt seine Erklärung erhalten. Aufgrund dessen konnte das menschliche Genom nach einer der neuesten Daten mehrere Dutzend Gene von anderen Spezies aufnehmen. [24] Eine

    sehr wichtige Frage bleibt: Wie genau kommt cDNA in die Zelle? Bestehende Hypothesen schließen die Annahme ein, dass Partikel, die DNA enthalten, durch Poren in der Membran sowie durch verschiedene Arten von Endozytose, Proteoglycan-abhängiger Makropinozytose oder beim Zusammenwirken mit Membranproteinen in Zellen eindringen können.

    Extrazelluläre DNA bei Übergewicht, Entzündungen, Röntgenbestrahlung und Stress unterschiedlicher Natur


    Eine weitere interessante Entdeckung wurde ein Jahr später von japanischen Forschern gemacht. Sie konnten die aktive Beteiligung von cDNA beschreiben, die im Blut als Folge des Todes von Adipozyten bei Menschen mit Adipositas, bei der Entwicklung von Entzündungen und Insulinresistenz auftrat. Ein Schlüsselfaktor, der mit diesen cDDNAs in diesen Prozessen interagiert, war das angeborene Immunitätsmolekül Toll-like Rezeptor 9 (TLR9) [25].

    Nicht ohne Intrigen russischer Wissenschaftler vom Institut für Theoretische und Experimentelle Biophysik der Russischen Akademie der Wissenschaften. Sie fanden heraus, dass die Röntgenexposition und das Antidiabetikum Metformin bei Ratten zu einer erhöhten Ausscheidung von vcDNA (Kern- und Mitochondrien) im Urin führen.

    Ihre Daten zeigten, dass vor den Experimenten die Menge an kernvkDNA um 40% und die der mitochondrialen vkDNA im Urin älterer Ratten um 50% höher waren als bei jungen Ratten.

    12 Stunden nach der Bestrahlung stieg der Gehalt an i-vcDNA und mt-vcDNA im Urin junger Ratten im Vergleich zur Kontrolle um 200% bzw. 460% an, während sie bei älteren Ratten im Urin um 250% und 720% stieg.

    6 Stunden nach Verabreichung von Metformin an andere Ratten war die Menge an i-vcDNA und mt-vcDNA im Urin von jungen Ratten um 25% bzw. 55% und im Urin von älteren Ratten um 50% und 160% erhöht.

    Laut den Autoren deuten diese Daten darauf hin, dass Röntgenstrahlen und Metformin eine signifikante Erhöhung der cDNA im Urin von Ratten (insbesondere bei alten) verursachen, die durch aktiven Zelltod in den Geweben verursacht wird. Diese Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Metformin möglicherweise als Senolithikum wirkt und den Tod alter Zellen mit strukturellen und funktionellen Beeinträchtigungen einleitet [26].

    Im Oktober letzten Jahres haben Wissenschaftler die Beziehung zwischen der ccDNA-Konzentration und psychischen Belastungen bei körperlicher Anstrengung bei jungen Menschen zwischen 18 und 36 Jahren nachverfolgt. Die Ergebnisse zeigten einen zweifachen Anstieg der cDDNA nach akutem psychosozialem Laborstress (TSST) und einen fünffachen Anstieg der cDDNA nach dem Training auf dem Laufband (um eine Erschöpfung des Laufbands zu erreichen).

    Eine erhöhte Menge kürzerer cfDNA-Fragmente, die für Apoptose charakteristisch sind, im Blut nach körperlicher Erschöpfung wurde ebenfalls aufgezeichnet.

    Die extrazelluläre mitochondriale DNA zeigte nach beiden Belastungen denselben Anstieg. Darüber hinaus unterschieden sich die Methylierungsprofile von cfDNA, die in dieser Arbeit als Marker für verschiedene zelluläre Ursprünge verwendet wurden, für verschiedene Belastungstests signifikant.

    Für die Analyse der Methylierung wählten die Wissenschaftler das HOXA5-Gen aus, das aufgrund der Spezifität seiner Methylierung in verschiedenen Zelltypen aktiv an der Embryonalentwicklung beteiligt ist. Daher ist es durch Hypermethylierung in Muskelzellen, Hypomethylierung in Gehirnzellen, aus Zelllinien des Hippocampus und kultivierten Neuronen und differenzielle Methylierung in Blutzellen gekennzeichnet.

    Die Methylierung des HOXA5-Gens in der cfDNA nahm unmittelbar nach psychosozialem Stress ab und stieg nach körperlichem Stress an, was nach Ansicht der Autoren auf verschiedene zelluläre Quellen für eine aktive Freisetzung von Kern-DNA hinweist. [27].

    Extrazelluläre DNA und Altern


    Nun zur Hauptsache. Berücksichtigen Sie die Beziehung der Ebenen und der spezifischen Merkmale von cfDNA mit dem Alterungsprozess.

    Die ersten Arbeiten, die eine solche Beziehung zeigten, wurden 2011–13 veröffentlicht. Finnische Mikrobiologen und Immunologen der University of Tampere untersuchten die cDNA-Werte von über 90-jährigen Hundertjährigen, Teilnehmern an der Vitality 90+-Studie und jungen Menschen (zwischen 22 und 37 Jahren) als Kontrollgruppe.

    Die Ergebnisse ihrer Arbeit zeigten, dass die cfDNA-Konzentration in Langlebern signifikant höher war als in der Jugend. Auch bei der cDNA gab es charakteristische Unterschiede: Bei älteren Menschen waren dies eher niedermolekulare Fragmente, bei jungen Menschen - eher bei hochmolekularen, dh längeren.

    In den folgenden Studien zeigte die gleiche Gruppe, dass die cDDNA-Spiegel eine klare Beziehung zu Entzündungsmarkern (positiv korreliert mit dem C-reaktiven Protein, Serum-Amyloid A (SAA) usw.) und der Mortalität bei Menschen über 90 Jahren hatten. Darüber hinaus waren höhere Konzentrationen an totaler und hypomethylierter oncDNA mit systemischen Entzündungen und der Entwicklung einer senilen Asthenie (Gebrechlichkeit) verbunden [28-30].

    Die letzten beiden jüngsten Studien zu ccDNA und Alterung im vergangenen Jahr zeigten charakteristische epigenetische Veränderungen in dieser DNA.

    In einem von ihnen analysierte ein Team von Wissenschaftlern, wie sich die Methylierung der mobilen genetischen Elemente LINE-1 und Alu in vcDNA von gesunden Menschen im Alter von 23 bis 61 Jahren mit dem Alter verändert.

    Das LINE-1-Element hat eine Länge von etwa 6 kbp, während die cfDNA-Fragmente mit hohem Molekulargewicht zum Vergleich größer als 10 kbp sind.

    LINE-1 bezieht sich auf Retroelemente, d.h. auf mobile Elemente, die für ihre Reproduktion die reverse Transkription verwenden, und die Übertragung genetischer Informationen von RNA zu DNA. LINE-1 ist das einzige heute bekannte mobile Element des Genoms, das die Fähigkeit behält, seine Kopien im Genom zu reproduzieren und zu verschieben. Es ist auch die zahlreichste der menschlichen Bewegungsstrukturen: Kopien von LINE-1 nehmen einen großen Anteil an der DNA ein - ein Fünftel des gesamten Genoms.

    Das zweite Element, Alu, kann sich nicht eigenständig reproduzieren und neue Inserts im Genom bilden. In diesem Prozess hängt es vom genetischen Apparat des Elements LINE-1 ab (weitere Informationen zu Retroelementen des Genoms finden Sie im Artikel in Popular Mechanics " Retroviruses:" 5th column "-DNA ).

    Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die Methylierung der Retro-Elemente LINE-1 und Alu mit zunehmendem Alter signifikant abnimmt, und dieser Prozess war bei Rauchern deutlich intensiver.

    Wie heute festgestellt, trägt die Aktivität der Elemente LINE-1 und Alu, die ihre Kopien in das Genom einfügen können, zu einem bedeutenden Teil der genetischen Krankheiten und Krebs des Menschen bei. Es sind mehr als 100 LINE-1-vermittelte Insertionen (Inserts) bekannt, die zu genetischen Erkrankungen des Menschen führen, und es wurden mehrere LINE-1-Inserts gefunden, die Tumorsuppressorgene unterbrechen und Krebs erzeugen [31].

    In der zweiten Studie bestätigten die Wissenschaftler mit zunehmendem Alter der Methylierung der Elemente LINE-1 und Alu die Zusammensetzung der Ex-DNA. Unter den vier Gruppen der Studie (gesunde Langlebern über 100, ungesunde Langlebern über 100 Jahre, ältere Menschen (71 Jahre) und junge Menschen (25 Jahre)) hatten gesunde Langlebern mit Jugendlichen und älteren Menschen mit ungesunden Langlebern ähnliche Eigenschaften:

    „In unserer Studie haben wir ständig festgestellt, dass die Profile der ecDNA global und lokal zwischen jungen und gesunden Langlebern im Vergleich zu älteren und ungesunden Langlebern ähnlicher sind. Aus unserer Studie geht daher hervor, dass ccDNA-Profiling nicht nur als Biomarker des Alters, sondern auch als Prädiktor für die allgemeine Gesundheit verwendet werden kann. “ [32].

    Extrazellulär zirkulierende DNA war daher eng mit dem Gesundheitszustand und den Vorgängen im Körper während des Alterns verbunden: oxidativer Stress, Entzündungen und altersbedingte Pathologien.

    Moderne Forschungsmethoden wie die quantitative Echtzeit-PCR ermöglichen die Verwendung von ecDNA als sehr empfindlichen Biomarker für alternde Prozesse.

    Studien haben gezeigt, dass die Analyse von cfDNA bei der Diagnose von Krebs, Transplantationen, Herz-Kreislauf- und Nierenerkrankungen, Fibrose, pränataler Diagnose (während der Schwangerschaft), Verletzungen und Sepsis sowie in der Sportmedizin von großem Nutzen ist.

    Die erhaltenen Daten, dass cfDNA die Eigenschaften eines beweglichen Elements aufweisen und in nukleare DNA integrieren kann, wodurch die Entwicklung von Pathologien beeinflusst wird, die mit Mutationen und Alterung im Allgemeinen verbunden sind, sind ebenfalls von zweifelsfreiem Interesse.

    All dies bedarf weiterer Forschung und Klarstellung.

    Rezension vorbereitet von: Alexey Rzheshevsky und dem kleinen Mikhail Batin

    Referenzliste
    1. Jahr S, Hentze H, Englisch S, Hardt D, Fackelmayer FO, Hesch RD und Knippers R. Cancer Res. 15. Februar 2001; 61 (4): 1659–65.
    2. Deligezer U1, Yaman F, Erten N, Dalay N. Frequent copresence of methylated DNA and fragmented nucleosomal DNA in plasma of lymphoma patients. Clin Chim Acta. 2003 Sep;335(1-2):89-94.
    3. Bishoff F.Z., Dang D., Horne C., Marquez-Do D., Brincley W.R., Levis D.E. Fetal DNA in maternal plasma circulates as apoptotic bodies: elucidations of structural nature of fetal DNA for non-invasive prenatal genetic diagnosis // Am. J. Hum. Genet. 2003. V. 73. P. 189.
    4. Sivanandham R, Brocca-Cofano E, Krampe N, Falwell E, Venkatraman SMK, Ribeiro RM, Apetrei C, Pandrea. Neutrophil extracellular trap production contributes to pathogenesis in SIV-infected nonhuman primates. J Clin Invest. 2018 Nov 1;128(11):5178-5183.
    5. Rogers J.C., Boldt D., Kornfeld S. Excretion of deoxyribonuclein acid by lymphocytes stimulated with phytohemagglutinin or antigen // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1972. V. 69, No 7. P. 1685–1689.
    6. Туаева Н.О, Абрамова З.И. Внеклеточная ДНК в кровотоке человека. 2007. Учебные записки Казанского государственного университета. Т.149, с.23-32.
    7. Lerner R.A., Meinke W., Goldstein D.A. Membrane-associated DNA in the cytoplasm of diploid human lymphocytes // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68, No 6. P. 1212–1216.
    8. Козлов В.А. Свободная внеклеточная ДНК в норме и при патологии. Медицинская иммунология. 2013;15(5):399-412.
    9. Galeazzi M, Morozzi G, Piccini M, Chen J, Bellisai F, Fineschi S, Marcolongo R. Dosage and characterization of circulating DNA: present usage and possible applications in systemic autoimmune disorders. Autoimmun Rev 2003;2:50-5.
    10. Leon SA, Revach M, Ehrlich GE, Adler R, Petersen V, Shapiro B. DNA in synovial fluid and the circulation of patients with arthritis. Arthritis Rheum 1981;24:1142-50.
    11. Destouni A, Vrettou C, Antonatos D, Chouliaras G, Traeger-Synodinos J, Patsilinakos S, et al. Cell-free DNA levels in acute myocardial infarction patients during hospitalization. Acta Cardiol 2009;64:51-7.
    12. Rainer TH, Wong LKS, Lam W, Yuen E, Lam NYL, Metreweli C, Lo YMD. Prognostic Use of Circulating Plasma Nucleic Acid Concentrations in Patients with Acute Stroke. Clin Chem 2003; 49:562-9.
    13. Lam NY, Rainer TH, Wong LK, Lam W, Lo YM. Plasma DNA as a prognostic marker for stroke patients with negative neuroimaging within the first 24 h of symptom onset. Resuscitation 2006; 68:71-8.
    14. Вейко Н.Н., Булычева Н.В., Рогинко О.А., Вейко Р.В., Ершова Е.С., Коздоба О.А., Кузьмин В.А., Виноградов А.М., Юдин А.А., Сперанский А.И., Фрагменты транскрибируемой области рибосомного повтора в составе внеклеточной ДНК — маркер гибели клеток организма, Биомедицинская химия, 2008, том: 54(1), 78-93.
    15. Bulicheva, N. et al. Effect of cell-free DNA of patients with cardiomyopathy and rDNA on the frequency of contraction of electrically paced neonatal rat ventricular myocytes in culture. Ann N Y Acad Sci. 2008. V. 1137. P. 273-277.
    16. Lecomte, T. Circulating free tumor DNA and colorectal cancer/ T. Lecomte, N. Ceze, E.
    17. Dorval, P. Laurent-Puig // Gastroenterol Clin Biol. 2010. V. 34. № 12. P. 662- 681.
    18. Васильева И.Н, Беспалов В.Г. Роль внеклеточной ДНК в возникновении и развитии злокачественных опухолей и возможности её использования в диагностике. Вопросы онкологии. 2013.-N 6.-С.673-681
    19. Gonzalez-Masia, J.A. et al. Circulating nucleic acids in plasma and serum (CNAPS): applications in oncology. Onco Targets Ther. 2013. V. 8. № 6. P. 819-32.
    20. Ermakov, A.V. et al. Oxidized extracellular DNA as a stress signal in human cells. Oxid Med Cell Longev. 2013. V. 2013. P. 649-747.
    21. Loseva, P. et al. Extracellular DNA oxidation stimulates activation of NRF2 and reduces the
    22. production of ROS in human mesenchymal stem cells. Expert Opin. Biol. Th. 2012. V.12. № 1. P. 85-97.
    23. Mittra I, Khare NK, Raghuram GV, et al. Circulating nucleic acids damage DNA of healthy cells by integrating into their genomes. J Biosci. 2015;40(1):91–111.
    24. Garcia‐Olmo DC, Dominguez C, Garcia‐Arranz M, Anker P, Stroun M, Garcia‐Verdugo JM, Garcia‐Olmo D (2010) Cell‐free nucleic acids circulating in the plasma of colorectal cancer patients induce the oncogenic transformation of susceptible cultured cells. Cancer Res. 70, 560–567
    25. Chan W, Gurnot C, Montine TJ, Sonnen JA, Guthrie KA, Lee Nelson J (2012) Male Microchimerism in the Human Female Brain. PLoS ONE 7, e45592.
    26. Crisp A, Boschetti C, Perry M, et al.: Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes. Genome Biol. 2015;16:50. 10.1186/s13059-015-0607-3
    27. Sachiko Nishimoto, Daiju Fukuda et al. Obesity-induced DNA released from adipocytes stimulates chronic adipose tissue inflammation and insulin resistance. Sci Adv. 2016 Mar; 2(3): e1501332.
    28. Gaziev A, Abdullaev S, Minkabirova G, Kamenskikh K. X-rays and metformin cause increased urinary excretion of cell-free nuclear and mitochondrial DNA in aged rats. J Circ Biomark. 2016 Oct 25; 5:1849454416670782.
    29. Hummel EM, Hessas E, Müller S, Beiter T, Fisch M, Eibl A, Wolf OT, Giebel B, Platen P, Kumsta R, Moser DA Transl Psychiatry. 2018 Oct 29;8(1):236.
    30. Jylhävä J1, Kotipelto T, Raitala A, Jylhä M, Hervonen A, Hurme M. Aging is associated with quantitative and qualitative changes in circulating cell-free DNA: the Vitality 90+ study.
    31. Mech Ageing Dev. 2011 Jan-Feb;132(1-2):20-6.
    32. Jylhävä J1, Jylhä M, Lehtimäki T, Hervonen A, Hurme M. Circulating cell-free DNA is associated with mortality and inflammatory markers in nonagenarians: the Vitality 90+ Study. Exp Gerontol. 2012 May;47(5):372-8.
    33. Jylhävä J1, Nevalainen T, Marttila S, Jylhä M, Hervonen A, Hurme M. Characterization of the role of distinct plasma cell-free DNA species in age-associated inflammation and frailty. Aging Cell. 2013 Jun;12(3):388-97.
    34. Lars Erichsen,a Agnes Beermann et al. Genome-wide hypomethylation of LINE-1 and Alu retroelements in cell-free DNA of blood is an epigenetic biomarker of human aging. Saudi J Biol Sci. 2018 Sep; 25(6): 1220–1226.
    35. Teo YV, Capri M, Morsiani C, Pizza G, Faria AMC, Franceschi C, Neretti N. Cell-free DNA as a biomarker of aging. Aging Cell. 2019 Feb;18(1):e12890.

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