Az extrakromoszomális DNS (röviden ecDNS) a kromoszómákon kívüli DNS, vagy a sejtmagon belül, vagy azon kívül. Egy genom DNS-ének nagy része a sejtmagon belül kromoszómákban található meg. Számos extrakromoszomális DNS-változat van, és míg egyesek fontos biológiai funkciókat látnak el, szerepet játszhatnak betegségekben, például a rákban.
A prokarióták elsősorban plazmidokban, az eukarióták sejtszervecskékben tartalmaznak nem virális ecDNS-t. A mitokondriális DNS az eukarióták extrakromoszomális DNS-ének fő forrása. E sejtszervecske saját DNS-e alátámasztja, hogy a mitokondriumok eukarióták által bekebelezett baktériumsejtek voltak. Az ecDNS-t gyakran használják a replikáció kutatásában, mivel könnyen azonosítható és izolálható.
Bár extrakromoszomális körkörös DNS (eccDNS) megtalálható normál eukarióta sejtekben, a nem körkörös ecDNS ettől eltérő egység, melyet ráksejtek magjában azonosítottak, és sok onkogént hordozhat. Az ecDNS a génerősítés fő mechanizmusa, sok onkogénmásolatot és agresszív rákokat okozva.
A citoplazmában lévő ecDNS szerkezetileg eltér a magitól. Kevésbé metilálódik a sejtmagban talált DNS-nél. Ezenkívül a citoplazmatikus DNS szekvenciái eltérnek a magitól egy élőlényen belül, így a citoplazmatikus DNS nem egyszerűen a maginak töredékeiből áll. Ráksejtekben az ecDNS elsősorban a magba izolálódik.
A magon kívüli DNS-en kívül a vírusgenom-fertőzések is ecDNS-t adnak.
Prokariótákban bélyegkép|jobbra|200px|Az Escherichia coli pBR32 plazmidja Bár a prokarióták nem rendelkeznek membránnal körülvett sejtmaggal, van maganyaguk, ahol a fő kromoszóma van. Az ecDNS az ezen kívüli részben található körkörös vagy lineáris plazmidokként. A bakteriális plazmidok általában rövidek, 1000 és néhány százezer bázis közt, és rendelkeznek replikációs origóval, mely lehetővé teszi a plazmid kromoszómától független replikációját. Az adott plazmidok száma egy sejtben a másolatszám, és 2-től több száz másolatig terjedhet sejtenként. A körkörös baktériumplazmidok osztályzása a benne kódolt gének speciális funkcióinak megfelelően történik. A termékenységi (f) plazmidok lehetővé teszi a konjugációt, az ellenállási (r) plazmidok ellenállást tesznek lehetővé számos antibiotikummal, például tetraciklinnel vagy ampicillinnel szemben. A virulenciaplazmidok a baktérium patogenicitását lehetővé tevő anyagokat tartalmaznak. A degeneratív plazmidok számos anyag, például aromás vegyületek és xenobiotikumok bontását teszik lehetővé. A baktériumplazmidok pigmenttermelést, nitrogénkötést és nehézfémeknek való ellenállást is okozhatnak.
A természetes körkörös plazmidok módosíthatók több rezisztenciagénre és egyedi resztrikciós helyekre, így értékes klónozási vektorok. A körkörös baktériumplazmidok lehetővé tesznek DNS-vakcinák létrehozását. A plazmid-DNS-vakcinák patogén vírus, baktérium vagy más parazita által termelt antigént vagy fehérjét kódoló géneket tartalmaznak. A gazdába jutva a plazmidgének termékei stimulálják a nem specifikus és a specifikus immunválaszt is. A plazmidok gyakran adjuvánssal vannak borítva az immunválasz javításához.
Lineáris baktériumplazmidok találhatók egyes Spirochaete-fajokban, például a Borrelia nemzetségben, melynek tagja a Lyme-kórért felelős patogén; egyes Streptomyces-fajok, és a kénoxidáló Thiobacillus versutusban. A prokarióták lineáris plazmidjai vagy hajtűt, vagy a telomervéghez kovalensen kötődő fehérjét tartalmaznak. A Borrelia-baktériumok AT-gazdag hajtűi 5000- bázisból állnak, és egy antigéncsoportért felelős géneket tartalmaznak, melyek lehetővé teszik az immunválasz elkerülését. Az 5’-véghez csatlakozó fehérjét tartalmazó lineáris plazmidok az invertronok, méretük 9-től 600 kb közt lehet, és fordított terminális ismétlődésekből állnak. A lineáris plazmák kovalensen kapcsolódó fehérjékkel segítheti a bakteriális konjugációt és a plazmid integrációját. E lineáris plazmák a legnagyobb ecDNS-t alkotják, mivel nemcsak egyes baktériumokban vannak jelen, hanem az eukariótákban lévő sejtekben is invertronszerkezetet vesznek fel, ahol a fehérje az 5’-véghez csatlakozik.
A hosszú, lineáris „borg” egyes archeákban – melyek tartalmazhatják, és számos közös gént tartalmazhatnak – ismeretlen ecDNS-szerkezettel rendelkezhet.
Eukariótákban Mitokondriális bélyegkép|Humán mitoondriális DNS a 37 génnel A mitokondriumok az eukariótákban több mitokondriális DNS-t (mtDNS) tartalmaznak a mitokondriális mátrixban. Többsejtű állatokban a körkörös mtDNS-kromoszóma 13 gént tartalmaz, melyek az elektrontranszportlánc fehérjéi kódolja, és 24 gént, melyek mitokondrális RNS-t; ezek 2 rRNS- és 22 tRNS-gént kódolnak. Az állati mtDNS-plazmid mintegy 16,6 kb-os, és bár tRNS- és mRNS-szintézishez tartalmaz géneket, a magi gének kellenek az mtDNS-replikációhoz vagy a mitokondriális fehérjék transzlációjához. A mitokondriális kromoszóma csak 1 kódoló szakasz nélküli részt tartalmaz, ez a D-ciklus, melyhez a magi szabályzó fehérjék kapcsolódnak. Az mtDNS-molekulák mitokondriumonkénti száma fajonként és eltérő energiaigényű sejtenként eltér. Például az izom- és májsejtek több mtDNS-t tartalmaznak mitokondriumonként, mint a vér- és bőrsejtek. Az elektrontranszportlánc közelsége a mitokondriális belső membránhoz és a reaktívoxigénszármazék-termeléshez, valamint az mtDNS hisztonokhoz kapcsolódásának és általuk való védelmének hiánya miatt az mtDNS érzékenyebb a DNS-sérülésre a magi DNS-nél. Az mtDNS-sérülés esetén a DNS javítható báziskivágásos javítással, vagy a sérült mtDNS megszűnik (a mitokondrium károsodása nélkül, mivel mitokondriumonként több mtDNS-példány van jelen).
A géntranszlációhoz tartozó szabályos genetikai kód állandó – minden 3 bázisos szekvencia azonos aminosavat kódol, függetlenül a fajtól, amelyé a DNS. Azonban ez a kód kissé eltér gombák, állatok, protiszták és növények mtDNS-ében. Bár a 3 bázisos szekvenciák (kodonok) legtöbbje azonos aminosavat kódol a magi genetikai kóddal, egyesek ettől eltérőt kódolnak.
+ Kódolási különbség egyes élőlények mtDNS-ében Genetikai kód Transzláció DNS-kodon RNS-kodon Transzláció e kóddal Összehasonlítás az univerzális kóddal Gerincesek 2AGAAGA Ter (*) Arg (R)AGGAGG Ter (*) Arg (R)ATAAUA Met (M) Ile (I)TGAUGA Trp (W) Ter (*) Élesztőgombák 3ATAAUA Met (M) Ile (I)CTTCUU Thr (T) Leu (L)CTCCUC Thr (T) Leu (L)CTACUA Thr (T) Leu (L)CTGCUG Thr (T) Leu (L)TGAUGA Trp (W) Ter (*)CGACGAnincs jelen Arg (R)CGCCGCnincs jelen Arg (R)Penész-, protozoon- és cölentrelát-mitokondriáliskód és mycoplasma/spiroplasma-kód4–7TGAUGA Trp (W) Ter (*) Gerinctelenek mitokondriális kódja 5AGAAGA Ser (S) Arg (R)AGGAGG Ser (S) Arg (R)ATAAUA Met (M) Ile (I)TGAUGA Trp (W) Ter (*) Tüskésbőrű- és laposféreg-mitokondriáliskód 9AAAAAA Asn (N) Lys (K)AGAAGA Ser (S) Arg (R)AGGAGG Ser (S) Arg (R)TGAUGA Trp (W) Ter (*) Aszcídia-mitokondráliskód 13AGAAGA Gly (G) Arg (R)AGGAGG Gly (G) Arg (R)ATAAUA Met (M) Ile (I)TGAUGA Trp (W) Ter (*) Alternatív laposféreg-mitokondriáliskód 14AAAAAA Asn (N) Lys (K)AGAAGA Ser (S) Arg (R)AGGAGG Ser (S) Arg (R)TAAUAA Tyr (Y) Ter (*)TGAUGA Trp (W) Ter (*)Chlorophycea-mitokondráliskód16TAGUAG Leu (L) Ter (*) Métely-mitokondriáliskód 21TGAUGA Trp (W) Ter (*)ATAAUA Met (M) Ile (I)AGAAGA Ser (S) Arg (R)AGGAGG Ser (S) Arg (R)AAAAAA Asn (N) Lys (K) Scenedesmus obliquus-mitokondráliskód 22TCAUCA Ter (*) Ser (S)TAGUAG Leu (L) Ter (*)Thraustochytrium-mitokondráliskód23TTAUUA Ter (*) Leu (L) Pterobranchia-mitokondriáliskód 24AGAAGA Ser (S) Arg (R)AGGAGG Lys (K) Arg (R)TGAUGA Trp (W) Ter (*) Aminosavak apoláris poláris bázikus savas stop kodon A kódolási különbségek okai lehetnek a transzfer RNS-ek kémiai eltérései, melyek az mtDNS-transzkripcióval keletkező messenger RNS-ekkel kölcsönhatnak.
Kloroplasztisz Az eukarióta kloroplasztiszok és más növényi plasztiszok is tartalmaznak ecDNS-t. A legtöbb kloroplasztisz egy gyűrűs kromoszómában tartalmazza örökítőanyagát, azonban több kisebb gyűrűs plazmidra is ismert bizonyíték. Egy 2004-es elmélet megkérdőjelezi a kloroplasztisz-DNS (cpDNS) gyűrű alakját, szerinte a cpDNS gyakrabban lineáris. Egy cpDNS 100-200 génből állhat, mérete fajonként eltérhet. A cpDNS szövetes növényekben 120-160 kb-os. A cpDNS génjei a fotoszintézishez szükséges mRNS-eket, továbbá tRNS-eket, rRNS-eket, RNS-polimeráz- és riboszomális fehérjealegységeket kódolnak. Az mtDNS-hez hasonlóan a cpDNS nem teljesen autonóm, és magi géneket használ a replikációhoz és fehérjéi termeléséhez. A kloroplasztiszok több cpDNS-másolatot tartalmaz, ezek száma nemcsak fajonként vagy sejttípusonként, hanem annak korától és fejlettségétől függően egy sejten belül is. Például a cpDNS-tartalom a fejlődés korai szakaszában, ahol a kloroplasztiszok proplasztiszként vannak jelen, sokkal nagyobb, mint a kitágult, érett sejtben, ahol a plasztiszok teljesen érettek.
Körkörös Az eccDNS minden eukarióta sejtben jelen van, általában genomi DNS-ből származik, és ismétlődő DNS-szekvenciákból áll a kódoló és nem kódoló kromoszómaszakaszokban. Az eccDNS mérete kevesebb mint 2000-től több mint bázispárig terjedhet. A növényi eccDNS a kromoszómák centromerjéhez és a repetitív szatellit-DNS-hez hasonló ismétlődő szekvenciákat tartalmaz. Állatokban az eccDNS a szatellit-, 5S-riboszomális és telomer-DNS-hez hasonlít. Egyes élőlények, például az élesztő eccDNS-termelése a DNS-replikáción alapul, míg másokban, például az emlősökben a replikációtól függetlenül keletkezhet eccDNS. Az eccDNS funkciója nincs széles körben kutatva, de feltehetően az eccDNS keletkezése genombeli DNS-ből növeli az eukarióta genom plaszticitását, és befolyásolhatja a genomstabilitást, a sejtöregedést és a kromoszómafejlődést.
Extrakromoszomális DNS figyelhető meg gyakran a humán ráksejtekben. A ráksejtek ecDNS-e egy vagy több, szelektív előnyt adó gént tartalmaz. Az ecDNS hosszabb az eccDNS-nél, fénymikroszkóppal megfigyelhető. A ráksejtek ecDNS-e általában 1-3 Mb-osak vagy hosszabbak. A nagy ecDNS megtalálható humán ráksejtek magjában, és több, a tumorsejtben átírt onkogént tartalmaz. Ezért feltehetően az ecDNS összefügghet a rákkal.
Speciális eszközök vannak az ecDNS azonosítására, például: Paul Mischel és Vineet Bafna által fejlesztett szoftver, mely lehetővé teszi az ecDNS azonosítását mikroszkópos képeken a fizikai ecDNS-izolációt lehetővé tevő Circle-Seq, mely enzimmel távolítja el a lineáris DNS-t, és az eccDNS-t izolálja. Ezt Brigitte Regenberg és csapata fejlesztette ki a Koppenhágai Egyetemen. Virális A virális DNS-ek gyakori extrakromoszomális DNS-ek. A vírusgenomok megismerése fontos a vírus evolúciójának és mutációinak ismeretéhez. Egyes vírusok, például a HIV és az onkogén vírusok, saját DNS-üket a gazda genomjába illesztik. A vírusgenomok állhatnak egy- (ssDNS) vagy kétszálú DNS-ből (dsDNS), és megtalálhatók lineáris és körkörös változatban.
Extrakromoszomális DNS-t tartalmazó vírus például a humán papillómavírus (HPV). DNS-genomja 3 különböző replikációs fázison megy keresztül: bekerülés, fenntartás, erősödés. Az anogenitalis rendszert és a szájat fertőzi meg. Általában a HPV-t az immunrendszer észleli és eltávolítja. A virális DNS felismerése fontos az immunválaszban. A vírus fennmaradásához a genomnak replikálódni és öröklődni kell sejtosztódáskor. Gazdasejt általi felismerés A sejtek felismerhetik az idegen citoplazmatikus DNS-t. A felismerési utak megértése betegségek megelőzésében és kezelésében is fontos lehet. A sejtek specifikusan felismerhetik a vírus-DNS-t például a Toll-típusú (TLR) útvonal révén.