染色体外DNA
染色体外DNAは、細胞核内の染色体とは別に存在するDNA分子群を指します。多くの生物において、ゲノムの大部分は染色体に収められていますが、細胞内には様々な形状の染色体外DNAも存在します。これらのDNA分子の一部は、生命維持に不可欠な生物学的機能を担う一方、がんをはじめとする様々な病気との関連も指摘されています。
ウイルス由来のものを除く染色体外DNAは、原核生物では主にプラスミドとして、真核生物では主に細胞内小器官（オルガネラ）内に見られます。真核細胞における主要な染色体外DNAの一つがミトコンドリアDNAです。ミトコンドリアが独自のDNAを持つことは、このオルガネラが太古の真核細胞に共生した細菌細胞に由来するという、細胞内共生説を裏付ける重要な証拠の一つとなっています。染色体外DNAは比較的容易に特定・分離できるため、DNA複製のメカニズムを研究する上で有用なツールとしても活用されています。
原核生物における染色体外DNA
真核生物のような明確な膜結合核を持たない原核生物では、染色体は主に核様体と呼ばれる領域に存在します。原核生物の染色体外DNAは、核様体以外の細胞質領域に、環状または線状のプラスミドとして存在します。細菌のプラスミドは、一般的にサイズが小さく（1kbから数百kb）、染色体とは独立して自己複製するための複製開始点を持ちます。細胞あたりのプラスミド分子数はコピー数と呼ばれ、少ないものでは数個、多いものでは数百個と様々です。細菌の環状プラスミドは、保持する遺伝子の機能によって分類されます。Fプラスミドは細胞間の接合を可能にし、Rプラスミドはアンピシリンやテトラサイクリンなどの抗生物質に対する耐性を与える遺伝子を持ちます。病原性プラスミドには、細菌が病原性を発揮するために必要な遺伝的要素が含まれ、分解プラスミドは芳香族化合物などの分解を可能にする遺伝子を持ちます。色素産生や窒素固定、重金属耐性といった機能を持つプラスミドも存在します。
天然の環状プラスミドは、遺伝子操作によって複数の薬剤耐性遺伝子や特定の制限酵素認識部位を持つように改変され、これはバイオテクノロジーにおけるクローニングベクターとして非常に有用です。また、細菌の環状プラスミドはDNAワクチンの開発基盤にもなります。プラスミドDNAワクチンは、病原体（ウイルス、細菌、寄生虫）の抗原やタンパク質をコードする遺伝子を導入したものです。これが宿主細胞に取り込まれると、コードされたタンパク質が発現し、宿主の自然免疫系および獲得免疫系の両方を刺激します。免疫応答を増強するため、多くの場合、プラスミドは送達前にアジュバントでコーティングされます。
一部のスピロヘータ（ライム病の原因菌であるボレリア属など）、特定のグラム陽性土壌細菌（ストレプトマイセス属）、硫黄酸化性のグラム陰性菌（Thiobacillus versutus）などでは、線状プラスミドが確認されています。原核生物の線状プラスミドは、DNA鎖の末端がヘアピンループ構造をとるか、あるいは末端にタンパク質が共有結合しています。ボレリア属のプラスミドはアデニンとチミンに富むヘアピンループ構造を持ち、そのサイズは5kbから200kb以上と様々です。これらのプラスミドは、感染宿主の免疫応答から逃れるために重要な表面タンパク質（主要抗原）をコードする遺伝子を保持しています。DNA鎖の5'末端に共有結合したタンパク質を持つ線状プラスミドはinvertronと呼ばれ、サイズは9kbから600kb以上にも及び、逆位反復配列から構成されます。この末端タンパク質は、細菌の接合やプラスミドのゲノムへの組み込みを補助する可能性が示唆されています。Invertronは染色体外DNAの中で最も大きなグループの一つを形成し、特定の細菌細胞だけでなく、真核生物細胞に見られる全ての線状染色体外DNAもこのinvertron構造を利用していることが報告されています。
ある種の古細菌には、ボーグと呼ばれる長い線状のDNAが存在し、これにコードされる遺伝子の多くは宿主の遺伝子と類似しています。ボーグは、まだ十分に解明されていない染色体外DNAの一種である可能性が考えられています。
真核生物における染色体外DNA
真核細胞においては、細胞質内のオルガネラに染色体外DNAが局在しています。ミトコンドリアのマトリックスには、ミトコンドリアDNA（mtDNA）が複数コピー存在します。ヒトを含む多細胞動物の環状mtDNAは、電子伝達系の一部を構成する13個のタンパク質遺伝子と、2種類のrRNA遺伝子、22種類のtRNA遺伝子を含む24個のRNA遺伝子をコードしています。動物のmtDNAは約16.6kbのサイズを持ちますが、その複製やミトコンドリアタンパク質の翻訳には、核遺伝子にコードされるタンパク質が必要です。mtDNAには遺伝情報をコードしない約1kbの長い領域が存在し、これはDループ領域として知られ、核から供給される調節タンパク質との結合部位となります。ミトコンドリアあたりのmtDNAの分子数は種によって異なり、また各細胞のエネルギー需要に応じて細胞間でも変動します。例えば、筋肉や肝細胞は、血球細胞や皮膚細胞よりミトコンドリアあたりのmtDNAコピー数が多い傾向があります。mtDNAはミトコンドリア内膜の電子伝達系や活性酸素種が発生する場所に近接しており、またヒストンなどの保護構造を持たないため、核DNAよりも損傷を受けやすい性質があります。mtDNAに損傷が生じた場合、DNA修復経路によって修復されるか、損傷した分子は分解されます（ミトコンドリアには通常複数のmtDNAが存在するため、すぐにミトコンドリア全体の機能に悪影響が生じることは少ないです）。
核遺伝子の翻訳に用いられる標準的な遺伝暗号は普遍的とされますが、菌類、動物、原生生物、植物のミトコンドリアDNAでは若干の差異が見られます。これらの生物種のmtDNAでは、多くのコドンは核の遺伝暗号と同じアミノ酸に対応しますが、一部のコドンでは異なるアミノ酸を指定します。このような遺伝暗号の差異は、mRNAと相互作用するtRNAの化学修飾の違いに起因すると推測されています。
葉緑体やその他の色素体もまた、染色体外DNAを持ちます。多くの葉緑体では、すべての遺伝情報が単一の環状染色体に格納されていますが、一部の種ではより小さな環状プラスミドの存在も示唆されています。近年、葉緑体DNA（cpDNA）は従来考えられていた環状構造だけでなく、線状の形態がより一般的である可能性も提唱されています。1分子のcpDNAは100個から200個の遺伝子を内包し、高等植物では約120–160kb程度のサイズです。cpDNA上の遺伝子は、光合成に必要な要素に加え、tRNA、rRNA、RNAポリメラーゼのサブユニット、リボソームタンパク質などをコードしています。mtDNAと同様、cpDNAも完全に自律的ではなく、その複製や葉緑体タンパク質の産生には核遺伝子に依存します。葉緑体には複数コピーのcpDNAが存在し、その数は種や細胞種による差異に加え、細胞の老化や発生ステージによっても変動します。例えば、発生初期の若い細胞（まだ葉緑体と区別がつかない原色素体）では、成熟した葉緑体を持つ細胞よりcpDNAコピー数が多い傾向があります。
核内の環状DNA
環状染色体外DNA（eccDNA）は、全ての真核細胞で見出されるDNA分子です。これらは典型的にはゲノムDNAから生じ、染色体のコーディング領域やノンコーディング領域に存在する反復配列を含むことが多いです。eccDNAのサイズは小さく（2kb以下から20kb以上まで多様）、植物ではセントロメア領域やサテライトDNA、動物ではサテライトDNAや5SリボソームDNAなどに類似した反復配列を含むことが報告されています。酵母など特定の生物ではeccDNAの生成が染色体DNAの複製に依存する一方、哺乳類などでは複製プロセスとは独立して形成されます。eccDNAの機能に関する詳細な研究はまだ限定的ですが、これが真核生物ゲノムの柔軟性を高め、ゲノム安定性、細胞老化、染色体進化に影響を与えている可能性が提唱されています。
ヒトのがん細胞においては、光学顕微鏡でも観察可能な大きなeccDNAが存在し、これはがん研究の分野で特に染色体外DNA（ecDNA）と呼ばれることが多いです。これらのがん細胞のecDNAはサイズが大きく（1–3Mbあるいはそれ以上）、がんドライバー遺伝子を複数コピー保持しています。これらの遺伝子は活発に転写されていることが示されており、ecDNAはがんの急速な増殖に大きく寄与すると考えられています。ecDNAは遺伝子増幅の主要なメカニズムの一つであり、ドライバー遺伝子の高コピー数化を通じて、非常に悪性度の高いがんを引き起こす要因となります。
ecDNAを特定するための専門的な技術も開発されています。例えば、Paul MischelとVineet Bafnaによって開発されたソフトウェアは顕微鏡画像中のecDNAを特定可能にし、コペンハーゲン大学のBirgitte RegenbergらによるCircle-Seq手法は、細胞からecDNAを物理的に分離し、線状DNAを除去した後に残った環状DNAの配列を決定することを可能にします。
ウイルスの染色体外DNA
ウイルスのDNAゲノムも染色体外DNAの例の一つです。ウイルスゲノムの構造や機能を理解することは、ウイルスの進化や変異を理解する上で不可欠です。HIVや一部のがんウイルスのように、自身のDNAを宿主細胞のゲノムに組み込むものも存在します。ヒトパピローマウイルス（HPV）も染色体外DNAを持つウイルスの例です。HPVのDNAゲノムは、細胞内での定着、維持、そして増幅という3段階を経て複製されます。HPVは性器や肛門、口腔の上皮細胞に感染しますが、通常は免疫系によって認識・排除されます。こうしたウイルスDNAの認識は、免疫応答において重要な役割を果たします。HPVが持続感染を確立するためには、その環状ゲノムが複製され、細胞分裂時に娘細胞へと引き継がれていく必要があります。
宿主細胞による認識
細胞は、細胞質に存在する外来DNAを認識する機能を持つことが知られています。この認識経路を理解することは、疾患の予防や治療につながる可能性を秘めています。細胞は、例えばToll様受容体（TLR）経路といった、ウイルスDNAを特異的に認識するセンサーシステムを備えています。Toll経路は、元々昆虫において、様々な病原体（細菌、ウイルス）のゲノムや、病原体関連分子パターン（PAMP）を感知する経路として発見されました。PAMPは自然免疫シグナルの強力な活性化因子となることが知られています。ヒトには約10種類のTLRが存在し、それぞれが異なる種類のPAMPを認識します。例えば、TLR4はリポ多糖を、TLR3はウイルスの二本鎖RNAを、TLR7/TLR8はウイルスの一本鎖RNAを、そしてTLR9はウイルスや細菌の非メチル化DNA（特に非メチル化CpG配列）をそれぞれ感知し、これに応じてI型インターフェロン（IFN）やその他のサイトカインの産生を促します。
染色体外DNAの遺伝
染色体外DNAの遺伝様式は、染色体上の核DNAの遺伝とは異なる特徴を示します。染色体と異なりセントロメアを持たないため、染色体外DNAは非メンデル型の遺伝パターンに従い、結果として細胞集団内でその存在が不均一になることがあります。ヒトの場合、細胞質のほとんどすべての要素は母親の卵細胞から遺伝するため、mtDNAなどのオルガネラDNAも母親から遺伝します。mtDNAやその他の細胞質DNAに変異がある場合も、それが母親から子へと受け継がれます。このような片親遺伝は、非メンデル性遺伝の典型的な例です。植物のmtDNAも片親遺伝であり、多くの種で母親由来ですが、セコイア（Sequoia sempervirens）のように父親からmtDNAを受け継ぐことが報告されている例外もあります。
父親由来のmtDNAが子孫に受け継がれることが稀である理由としては、主に2つの仮説が提唱されています。一つ目は、単純に父親由来のmtDNAが母親由来のものよりはるかに量が少なく、結果として子孫では検出に至らないという考え方です。二つ目はより複雑な仮説で、受精過程などで父親由来のmtDNAが積極的に分解され、その遺伝が阻止されるというものです。mtDNAの高い変異率を考慮すると、このようにmtDNAがホモプラズミー（均一なmtDNA集団）を維持するためのメカニズムの一つとして、片親遺伝が機能している可能性も提唱されています。
臨床的意義
真核生物において、染色体外の遺伝要素はゲノムの不安定化と関連が深いことが知られています。Small polydispersed DNA（spcDNAs）と呼ばれるeccDNAの一種は、ゲノム不安定性を示す細胞でよく検出されます。spcDNAsは、ゲノム中のサテライトDNA、レトロウイルス様DNAエレメント、トランスポゾンといった反復配列から生じ、遺伝的組換えの副産物と考えられています。
がん細胞に見られるecDNAには、光学顕微鏡下で対をなしたクロマチン構造体として捉えられる、伝統的に二重微小染色体（DM染色体）と呼ばれてきた構造も含まれます。単一の構造として観察されるものを含め、様々な組織由来のがん細胞の約半数にこうしたecDNAが見られますが、正常細胞ではほとんど観察されません。ecDNAは、染色体の二本鎖切断やDNAの過剰複製によって生成されると考えられています。がんやその他のゲノム不安定性を示す症例では、高レベルの染色体外遺伝要素が見出される場合があることが報告されています。
ミトコンドリアDNAは、様々な形で疾患の発症に関わっています。mtDNAの点変異や大規模な組換えは、心臓、中枢神経系、内分泌系、消化器、目、腎臓など、広範な臓器に影響を及ぼすいくつかの疾患との関連が指摘されています。ミトコンドリア内のmtDNA量が減少すると、ミトコンドリアDNA枯渇症候群と呼ばれる一連の疾患群を引き起こし、肝臓、中枢・末梢神経系、平滑筋、聴力といった機能に影響が生じる可能性があります。mtDNAのコピー数と特定のがん発症リスクとの関連に関する研究結果は一様ではなく、時に相反する報告も見られます。乳がんに関しては、mtDNA量の増加および減少の双方が、発症リスクの増加と関連することが示唆されています。また、mtDNAの増加と腎臓がん発症リスクの増加には正の相関関係が観察されていますが、胃がんの場合にはmtDNAとの明確な関連は見られないようです。
原生動物の一グループであるアピコンプレクサ門に属する生物も、染色体外DNAを持ちます。マラリア原虫や、AIDS関連病原体であるトキソプラズマ、クリプトスポリジウムはいずれもアピコンプレクサ門に分類されます。マラリア原虫には、約6kbの線状ミトコンドリアDNAと、アピコプラストと呼ばれる色素体由来のオルガネラが持つ約35kbの環状DNAが存在します。これらのDNAにコードされる遺伝子の産物は、抗マラリア薬の標的候補となりうるため、薬剤開発の観点からも注目されています。
がんにおけるecDNAの役割
遺伝子増幅は、がん遺伝子活性化において最も頻繁に見られるメカニズムの一つですが、多くの場合、染色体外の環状DNA要素、すなわちecDNAで発生しています。がんにおけるecDNAの主要な役割は、短期間での高コピー数化を実現することと、細胞間の遺伝的多様性を著しく促進することにあります。がんで最も頻繁に増幅が見られるがん遺伝子はecDNA上に存在し、極めて動的な振る舞いを示します。これらは本来の染色体位置とは異なる部位へ組み換わり、均一染色領域（HSR）を形成したり、様々な治療薬剤に応じたコピー数や構成の変化を示したりします。ecDNAは、進行度や重症度が高い多くのがんに関与するだけでなく、抗がん剤への耐性を獲得する主要な要因ともなっています。
ecDNAの環状構造は、線状である染色体DNAとは異なり、がんの発症に重大な影響を与える特徴を持っています。ecDNA上のがん遺伝子は極めて活発に転写され、その転写産物量は全トランスクリプトームの上位1%に入るほどです。細菌のプラスミドやミトコンドリアDNAとは異なり、ecDNAはクロマチン構造を持ちますが、転写活性化を促すヒストン修飾が高レベルで存在し、一方で転写抑制に関わる修飾は少ないといった特徴があります。ecDNAのクロマチン構造は、染色体DNAに見られるような高次凝縮構造をとらないため、ゲノム全体の中で最もアクセスしやすいDNA領域の一つとなっています。さらに、ecDNAは核内で凝集しクラスターを形成する可能性があり、このような構造はecDNAハブと呼ばれます。ecDNAハブは、分子間のエンハンサーと標的遺伝子の相互作用を可能にする空間を形成し、がん遺伝子の過剰な発現をさらに促進している可能性が指摘されています。
ウイルス由来のものを除く染色体外DNAは、原核生物では主にプラスミドとして、真核生物では主に細胞内小器官（オルガネラ）内に見られます。真核細胞における主要な染色体外DNAの一つがミトコンドリアDNAです。ミトコンドリアが独自のDNAを持つことは、このオルガネラが太古の真核細胞に共生した細菌細胞に由来するという、細胞内共生説を裏付ける重要な証拠の一つとなっています。染色体外DNAは比較的容易に特定・分離できるため、DNA複製のメカニズムを研究する上で有用なツールとしても活用されています。
原核生物における染色体外DNA
真核生物のような明確な膜結合核を持たない原核生物では、染色体は主に核様体と呼ばれる領域に存在します。原核生物の染色体外DNAは、核様体以外の細胞質領域に、環状または線状のプラスミドとして存在します。細菌のプラスミドは、一般的にサイズが小さく（1kbから数百kb）、染色体とは独立して自己複製するための複製開始点を持ちます。細胞あたりのプラスミド分子数はコピー数と呼ばれ、少ないものでは数個、多いものでは数百個と様々です。細菌の環状プラスミドは、保持する遺伝子の機能によって分類されます。Fプラスミドは細胞間の接合を可能にし、Rプラスミドはアンピシリンやテトラサイクリンなどの抗生物質に対する耐性を与える遺伝子を持ちます。病原性プラスミドには、細菌が病原性を発揮するために必要な遺伝的要素が含まれ、分解プラスミドは芳香族化合物などの分解を可能にする遺伝子を持ちます。色素産生や窒素固定、重金属耐性といった機能を持つプラスミドも存在します。
天然の環状プラスミドは、遺伝子操作によって複数の薬剤耐性遺伝子や特定の制限酵素認識部位を持つように改変され、これはバイオテクノロジーにおけるクローニングベクターとして非常に有用です。また、細菌の環状プラスミドはDNAワクチンの開発基盤にもなります。プラスミドDNAワクチンは、病原体（ウイルス、細菌、寄生虫）の抗原やタンパク質をコードする遺伝子を導入したものです。これが宿主細胞に取り込まれると、コードされたタンパク質が発現し、宿主の自然免疫系および獲得免疫系の両方を刺激します。免疫応答を増強するため、多くの場合、プラスミドは送達前にアジュバントでコーティングされます。
一部のスピロヘータ（ライム病の原因菌であるボレリア属など）、特定のグラム陽性土壌細菌（ストレプトマイセス属）、硫黄酸化性のグラム陰性菌（Thiobacillus versutus）などでは、線状プラスミドが確認されています。原核生物の線状プラスミドは、DNA鎖の末端がヘアピンループ構造をとるか、あるいは末端にタンパク質が共有結合しています。ボレリア属のプラスミドはアデニンとチミンに富むヘアピンループ構造を持ち、そのサイズは5kbから200kb以上と様々です。これらのプラスミドは、感染宿主の免疫応答から逃れるために重要な表面タンパク質（主要抗原）をコードする遺伝子を保持しています。DNA鎖の5'末端に共有結合したタンパク質を持つ線状プラスミドはinvertronと呼ばれ、サイズは9kbから600kb以上にも及び、逆位反復配列から構成されます。この末端タンパク質は、細菌の接合やプラスミドのゲノムへの組み込みを補助する可能性が示唆されています。Invertronは染色体外DNAの中で最も大きなグループの一つを形成し、特定の細菌細胞だけでなく、真核生物細胞に見られる全ての線状染色体外DNAもこのinvertron構造を利用していることが報告されています。
ある種の古細菌には、ボーグと呼ばれる長い線状のDNAが存在し、これにコードされる遺伝子の多くは宿主の遺伝子と類似しています。ボーグは、まだ十分に解明されていない染色体外DNAの一種である可能性が考えられています。
真核生物における染色体外DNA
真核細胞においては、細胞質内のオルガネラに染色体外DNAが局在しています。ミトコンドリアのマトリックスには、ミトコンドリアDNA（mtDNA）が複数コピー存在します。ヒトを含む多細胞動物の環状mtDNAは、電子伝達系の一部を構成する13個のタンパク質遺伝子と、2種類のrRNA遺伝子、22種類のtRNA遺伝子を含む24個のRNA遺伝子をコードしています。動物のmtDNAは約16.6kbのサイズを持ちますが、その複製やミトコンドリアタンパク質の翻訳には、核遺伝子にコードされるタンパク質が必要です。mtDNAには遺伝情報をコードしない約1kbの長い領域が存在し、これはDループ領域として知られ、核から供給される調節タンパク質との結合部位となります。ミトコンドリアあたりのmtDNAの分子数は種によって異なり、また各細胞のエネルギー需要に応じて細胞間でも変動します。例えば、筋肉や肝細胞は、血球細胞や皮膚細胞よりミトコンドリアあたりのmtDNAコピー数が多い傾向があります。mtDNAはミトコンドリア内膜の電子伝達系や活性酸素種が発生する場所に近接しており、またヒストンなどの保護構造を持たないため、核DNAよりも損傷を受けやすい性質があります。mtDNAに損傷が生じた場合、DNA修復経路によって修復されるか、損傷した分子は分解されます（ミトコンドリアには通常複数のmtDNAが存在するため、すぐにミトコンドリア全体の機能に悪影響が生じることは少ないです）。
核遺伝子の翻訳に用いられる標準的な遺伝暗号は普遍的とされますが、菌類、動物、原生生物、植物のミトコンドリアDNAでは若干の差異が見られます。これらの生物種のmtDNAでは、多くのコドンは核の遺伝暗号と同じアミノ酸に対応しますが、一部のコドンでは異なるアミノ酸を指定します。このような遺伝暗号の差異は、mRNAと相互作用するtRNAの化学修飾の違いに起因すると推測されています。
葉緑体やその他の色素体もまた、染色体外DNAを持ちます。多くの葉緑体では、すべての遺伝情報が単一の環状染色体に格納されていますが、一部の種ではより小さな環状プラスミドの存在も示唆されています。近年、葉緑体DNA（cpDNA）は従来考えられていた環状構造だけでなく、線状の形態がより一般的である可能性も提唱されています。1分子のcpDNAは100個から200個の遺伝子を内包し、高等植物では約120–160kb程度のサイズです。cpDNA上の遺伝子は、光合成に必要な要素に加え、tRNA、rRNA、RNAポリメラーゼのサブユニット、リボソームタンパク質などをコードしています。mtDNAと同様、cpDNAも完全に自律的ではなく、その複製や葉緑体タンパク質の産生には核遺伝子に依存します。葉緑体には複数コピーのcpDNAが存在し、その数は種や細胞種による差異に加え、細胞の老化や発生ステージによっても変動します。例えば、発生初期の若い細胞（まだ葉緑体と区別がつかない原色素体）では、成熟した葉緑体を持つ細胞よりcpDNAコピー数が多い傾向があります。
核内の環状DNA
環状染色体外DNA（eccDNA）は、全ての真核細胞で見出されるDNA分子です。これらは典型的にはゲノムDNAから生じ、染色体のコーディング領域やノンコーディング領域に存在する反復配列を含むことが多いです。eccDNAのサイズは小さく（2kb以下から20kb以上まで多様）、植物ではセントロメア領域やサテライトDNA、動物ではサテライトDNAや5SリボソームDNAなどに類似した反復配列を含むことが報告されています。酵母など特定の生物ではeccDNAの生成が染色体DNAの複製に依存する一方、哺乳類などでは複製プロセスとは独立して形成されます。eccDNAの機能に関する詳細な研究はまだ限定的ですが、これが真核生物ゲノムの柔軟性を高め、ゲノム安定性、細胞老化、染色体進化に影響を与えている可能性が提唱されています。
ヒトのがん細胞においては、光学顕微鏡でも観察可能な大きなeccDNAが存在し、これはがん研究の分野で特に染色体外DNA（ecDNA）と呼ばれることが多いです。これらのがん細胞のecDNAはサイズが大きく（1–3Mbあるいはそれ以上）、がんドライバー遺伝子を複数コピー保持しています。これらの遺伝子は活発に転写されていることが示されており、ecDNAはがんの急速な増殖に大きく寄与すると考えられています。ecDNAは遺伝子増幅の主要なメカニズムの一つであり、ドライバー遺伝子の高コピー数化を通じて、非常に悪性度の高いがんを引き起こす要因となります。
ecDNAを特定するための専門的な技術も開発されています。例えば、Paul MischelとVineet Bafnaによって開発されたソフトウェアは顕微鏡画像中のecDNAを特定可能にし、コペンハーゲン大学のBirgitte RegenbergらによるCircle-Seq手法は、細胞からecDNAを物理的に分離し、線状DNAを除去した後に残った環状DNAの配列を決定することを可能にします。
ウイルスの染色体外DNA
ウイルスのDNAゲノムも染色体外DNAの例の一つです。ウイルスゲノムの構造や機能を理解することは、ウイルスの進化や変異を理解する上で不可欠です。HIVや一部のがんウイルスのように、自身のDNAを宿主細胞のゲノムに組み込むものも存在します。ヒトパピローマウイルス（HPV）も染色体外DNAを持つウイルスの例です。HPVのDNAゲノムは、細胞内での定着、維持、そして増幅という3段階を経て複製されます。HPVは性器や肛門、口腔の上皮細胞に感染しますが、通常は免疫系によって認識・排除されます。こうしたウイルスDNAの認識は、免疫応答において重要な役割を果たします。HPVが持続感染を確立するためには、その環状ゲノムが複製され、細胞分裂時に娘細胞へと引き継がれていく必要があります。
宿主細胞による認識
細胞は、細胞質に存在する外来DNAを認識する機能を持つことが知られています。この認識経路を理解することは、疾患の予防や治療につながる可能性を秘めています。細胞は、例えばToll様受容体（TLR）経路といった、ウイルスDNAを特異的に認識するセンサーシステムを備えています。Toll経路は、元々昆虫において、様々な病原体（細菌、ウイルス）のゲノムや、病原体関連分子パターン（PAMP）を感知する経路として発見されました。PAMPは自然免疫シグナルの強力な活性化因子となることが知られています。ヒトには約10種類のTLRが存在し、それぞれが異なる種類のPAMPを認識します。例えば、TLR4はリポ多糖を、TLR3はウイルスの二本鎖RNAを、TLR7/TLR8はウイルスの一本鎖RNAを、そしてTLR9はウイルスや細菌の非メチル化DNA（特に非メチル化CpG配列）をそれぞれ感知し、これに応じてI型インターフェロン（IFN）やその他のサイトカインの産生を促します。
染色体外DNAの遺伝
染色体外DNAの遺伝様式は、染色体上の核DNAの遺伝とは異なる特徴を示します。染色体と異なりセントロメアを持たないため、染色体外DNAは非メンデル型の遺伝パターンに従い、結果として細胞集団内でその存在が不均一になることがあります。ヒトの場合、細胞質のほとんどすべての要素は母親の卵細胞から遺伝するため、mtDNAなどのオルガネラDNAも母親から遺伝します。mtDNAやその他の細胞質DNAに変異がある場合も、それが母親から子へと受け継がれます。このような片親遺伝は、非メンデル性遺伝の典型的な例です。植物のmtDNAも片親遺伝であり、多くの種で母親由来ですが、セコイア（Sequoia sempervirens）のように父親からmtDNAを受け継ぐことが報告されている例外もあります。
父親由来のmtDNAが子孫に受け継がれることが稀である理由としては、主に2つの仮説が提唱されています。一つ目は、単純に父親由来のmtDNAが母親由来のものよりはるかに量が少なく、結果として子孫では検出に至らないという考え方です。二つ目はより複雑な仮説で、受精過程などで父親由来のmtDNAが積極的に分解され、その遺伝が阻止されるというものです。mtDNAの高い変異率を考慮すると、このようにmtDNAがホモプラズミー（均一なmtDNA集団）を維持するためのメカニズムの一つとして、片親遺伝が機能している可能性も提唱されています。
臨床的意義
真核生物において、染色体外の遺伝要素はゲノムの不安定化と関連が深いことが知られています。Small polydispersed DNA（spcDNAs）と呼ばれるeccDNAの一種は、ゲノム不安定性を示す細胞でよく検出されます。spcDNAsは、ゲノム中のサテライトDNA、レトロウイルス様DNAエレメント、トランスポゾンといった反復配列から生じ、遺伝的組換えの副産物と考えられています。
がん細胞に見られるecDNAには、光学顕微鏡下で対をなしたクロマチン構造体として捉えられる、伝統的に二重微小染色体（DM染色体）と呼ばれてきた構造も含まれます。単一の構造として観察されるものを含め、様々な組織由来のがん細胞の約半数にこうしたecDNAが見られますが、正常細胞ではほとんど観察されません。ecDNAは、染色体の二本鎖切断やDNAの過剰複製によって生成されると考えられています。がんやその他のゲノム不安定性を示す症例では、高レベルの染色体外遺伝要素が見出される場合があることが報告されています。
ミトコンドリアDNAは、様々な形で疾患の発症に関わっています。mtDNAの点変異や大規模な組換えは、心臓、中枢神経系、内分泌系、消化器、目、腎臓など、広範な臓器に影響を及ぼすいくつかの疾患との関連が指摘されています。ミトコンドリア内のmtDNA量が減少すると、ミトコンドリアDNA枯渇症候群と呼ばれる一連の疾患群を引き起こし、肝臓、中枢・末梢神経系、平滑筋、聴力といった機能に影響が生じる可能性があります。mtDNAのコピー数と特定のがん発症リスクとの関連に関する研究結果は一様ではなく、時に相反する報告も見られます。乳がんに関しては、mtDNA量の増加および減少の双方が、発症リスクの増加と関連することが示唆されています。また、mtDNAの増加と腎臓がん発症リスクの増加には正の相関関係が観察されていますが、胃がんの場合にはmtDNAとの明確な関連は見られないようです。
原生動物の一グループであるアピコンプレクサ門に属する生物も、染色体外DNAを持ちます。マラリア原虫や、AIDS関連病原体であるトキソプラズマ、クリプトスポリジウムはいずれもアピコンプレクサ門に分類されます。マラリア原虫には、約6kbの線状ミトコンドリアDNAと、アピコプラストと呼ばれる色素体由来のオルガネラが持つ約35kbの環状DNAが存在します。これらのDNAにコードされる遺伝子の産物は、抗マラリア薬の標的候補となりうるため、薬剤開発の観点からも注目されています。
がんにおけるecDNAの役割
遺伝子増幅は、がん遺伝子活性化において最も頻繁に見られるメカニズムの一つですが、多くの場合、染色体外の環状DNA要素、すなわちecDNAで発生しています。がんにおけるecDNAの主要な役割は、短期間での高コピー数化を実現することと、細胞間の遺伝的多様性を著しく促進することにあります。がんで最も頻繁に増幅が見られるがん遺伝子はecDNA上に存在し、極めて動的な振る舞いを示します。これらは本来の染色体位置とは異なる部位へ組み換わり、均一染色領域（HSR）を形成したり、様々な治療薬剤に応じたコピー数や構成の変化を示したりします。ecDNAは、進行度や重症度が高い多くのがんに関与するだけでなく、抗がん剤への耐性を獲得する主要な要因ともなっています。
ecDNAの環状構造は、線状である染色体DNAとは異なり、がんの発症に重大な影響を与える特徴を持っています。ecDNA上のがん遺伝子は極めて活発に転写され、その転写産物量は全トランスクリプトームの上位1%に入るほどです。細菌のプラスミドやミトコンドリアDNAとは異なり、ecDNAはクロマチン構造を持ちますが、転写活性化を促すヒストン修飾が高レベルで存在し、一方で転写抑制に関わる修飾は少ないといった特徴があります。ecDNAのクロマチン構造は、染色体DNAに見られるような高次凝縮構造をとらないため、ゲノム全体の中で最もアクセスしやすいDNA領域の一つとなっています。さらに、ecDNAは核内で凝集しクラスターを形成する可能性があり、このような構造はecDNAハブと呼ばれます。ecDNAハブは、分子間のエンハンサーと標的遺伝子の相互作用を可能にする空間を形成し、がん遺伝子の過剰な発現をさらに促進している可能性が指摘されています。
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