Nat Genet：揭示染色体外DNA在肿瘤进化中起着至关重要的作用

在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学、加州大学圣地亚哥分校、英国伦敦大学玛丽皇后学院、德国柏林夏里特医学院和中国中山大学等研究机构的研究人员发现存在于大约三分之一的癌症中的环状DNA结构导致了肿瘤内部出现广泛的遗传多样性，使它们有能力迅速适应环境压力并抵抗有针对性的癌症治疗。相关研究结果发表在2022年10月的Nature Genetics期刊上，论文标题为“The evolutionary dynamics of extrachromosomal DNA in human cancers”。

这项原则性验证研究的结果，增加了人们对癌症的环状基因组---也称为染色体外DNA（extrachromosomal DNA, ecDNA）---如何导致患有一些最难治疗的癌症类型的患者的不良后果的理解，并表明治疗这些癌症可能需要在未来靶向ecDNA的独特特征。

违背分离规则

细胞的大部分DNA被包装在细胞核内称为染色体的结构中，与此不同的是，ecDNA是染色体DNA发生断裂后形成的环状片段，可在细胞核内自由漂浮。癌细胞可以不携带、携带一个或许多ecDNA，代表了肿瘤内遗传变异的一个额外来源。就像染色体DNA一样，ecDNA可以携带驱动癌症的突变基因（也称为致癌基因）。

在健康细胞中，当细胞分裂时，染色体DNA通常在两个子细胞之间平分。然而，ecDNA并不遵循正常的分离规则，因为它们缺乏控制这种平均分裂的机制。因此，当含有ecDNA的癌细胞分裂时，这些环状DNA颗粒在两个子细胞之间随机分配。随着细胞分裂的继续，具有不同数量ecDNA的癌细胞群体建立起来，从而推动了肿瘤内的遗传变异。

在这项新的研究中，这些作者组合使用数学建模、计算建模、实验方法和临床数据，研究了在一个癌细胞群体中，不同细胞的ecDNA分子数量如何变化，以及这种变化如何影响癌症应对挑战的能力。

利用荧光标记和活细胞成像，这些作者观察到携带致癌基因的ecDNA在前列腺癌、胃癌、结肠癌、神经母细胞瘤和胶质母细胞瘤的细胞系中是随机遗传的。他们随后用数学建模和计算建模来模拟当单个含有ecDNA的细胞经扩增后产生一个含有100万个细胞的群体时会发生什么。

概述利用数学建模、计算模拟、细胞系和患者数据开发和测试ecDNA行为规则的策略。图片来自Nature Genetics, 2022, doi:10.1038/s41588-022-01177-x。

他们的模拟结果预测，随着细胞数量的增加，每个细胞中的ecDNA数量变化极大：许多细胞据预测携带几个ecDNA拷贝，少数细胞估计携带数百个ecDNA拷贝。

这些作者扩大了他们的分析范围，研究了已知在ecDNA上携带致癌基因的六种不同癌症类型的肿瘤细胞系，以及取自6名胶质母细胞瘤患者和4名神经母细胞瘤患者的临床样本。在这些细胞系和临床样本中，ecDNA拷贝数显示出极端的细胞间差异，与他们的模拟结果预测的分布相吻合。

ecDNA使癌细胞具有更快的适应能力

由遗传变异驱动的肿瘤进化是治疗癌症的一个主要障碍。肿瘤内的遗传变异（或异质性）越大，它就越有可能适应它所在环境的变化。

这些作者利用一对源自一名胶质母细胞瘤患者的细胞系，探究了ecDNA的存在是否能使这些癌细胞更快地适应环境中的挑战，包括暴露在一种靶向癌症药物中。

这两种细胞系都携带一个常见的使癌细胞生长得更快的致癌基因（发生突变的EGFR基因），但是其中的一种细胞系在ecDNA上携带这种致癌基因，其拷贝数在细胞之间存在差异，另一种细胞系则在染色体DNA上携带这种致癌基因。

在用一种特异性靶向这种EGFR突变的药物处理这两种细胞系后，带有ecDNA的细胞系能够通过改变其组成来包含携带较少ecDNA拷贝的癌细胞，从而更快地适应并抵抗药物的影响。由于这种细胞群体中存在较少的药物靶点，这些癌细胞在短短两周内就产生了抗药性，而另一种细胞系对这种药物保持敏感。

这些作者在携带不同致癌基因的其他癌症类型的细胞系和临床样本中观察到了类似的效果，这表明ecDNA产生了高水平的异质性，从而使得对环境或治疗挑战的初始抵抗力增加。

论文共同作者、伦敦大学玛丽皇后学院巴茨癌症研究所的Benjamin Werner博士说，“多年来，ecDNA已被零星地认识到，但直到最近才观察到它驱动肿瘤的侵袭性和患者的不良后果。为了让我们有最好的机会找到治疗携带ecDNA的癌症的有效方法，并有可能预测病程和疾病结局，必须了解这些环状DNA结构的行为。我们的原则性验证研究提供了对ecDNA独特的分离和进化特性的重要见解，这对于帮助我们找到将这种明显的选择优势转化为癌细胞的劣势的方法至关重要。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Joshua T. Lange et al. The evolutionary dynamics of extrachromosomal DNA in human cancers. Nature Genetics, 2022, doi:10.1038/s41588-022-01177-x.

2. Understanding the role of cancer's circular genome in tumor evolution
https://medicalxpress.com/news/2022-10-role-cancer-circular-genome-tumor.html