Cell：中科院深圳先进院甘海云团队揭示ecDNA维持的关键机制
来源：生物世界 2025-05-01 11:05
该研究揭示了 ecDNA 维持与 DNA 损伤应答之间的双向调控关系，为理解 ecDNA 在肿瘤发生发展中的作用机制提供了新视角，也为开发靶向 ecDNA 的抗肿瘤治疗策略奠定了重要理论基础。
染色体外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）是一种独立于染色体存在的环状 DNA 分子，在 30%-50% 的恶性肿瘤患者中被检测到。尽管早在 1965 年研究人员就在神经母细胞瘤中观察到其存在（当时称为双微体），但受限于技术手段，其存在的生物学意义长期未被阐明。
近年来的研究发现，ecDNA 可携带完整的致癌基因（例如 MYC、EGFR）及其增强子序列。当这些基因从染色体脱落并环化形成 ecDNA 后，原本的表观遗传修饰（例如 DNA 甲基化和组蛋白修饰）记忆丢失，导致癌基因的异常激活。
临床证据表明，携带 ecDNA 的肿瘤患者往往表现出更高的恶性程度、更强的治疗抵抗和更差的临床预后。因此，靶向 ecDNA 的抗肿瘤策略（例如干扰其复制与维持、调控表观遗传重塑）具有重要治疗潜力。然而，ecDNA 的复制与维持机制、表观遗传重塑及其在肿瘤发生发展中的精确作用，仍是当前研究的核心挑战。解决这些问题将为开发新型抗癌疗法提供关键突破口。
2025 年 4 月 28 日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所研究员甘海云团队在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Extrachromosomal DNA replication and maintenance couple with DNA damage pathway in tumors 的研究论文。
该研究揭示了 ecDNA 维持与 DNA 损伤应答之间的双向调控关系，为理解 ecDNA 在肿瘤发生发展中的作用机制提供了新视角，也为开发靶向 ecDNA 的抗肿瘤治疗策略奠定了重要理论基础。这一突破性发现为解决上述核心挑战提供了关键科学依据。
图1. ecDNA上抑制性组蛋白丢失，致癌基因表达增加
为突破 ecDNA 复制与维持机制研究的瓶颈，研究团队采用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，成功构建了稳定携带 EGFR 基因完整拷贝的 ecDNA 细胞系，以及创新性地结合体外人工染色体组装技术，构建了模拟临床患者来源的人工 ecDNA 分子。解决了该领域长期存在的关键难题——缺乏严格匹配的 ecDNA 阳性/阴性对照细胞模型。通过用核苷类似物5-乙炔基-2'脱氧尿嘧啶核苷（EdU）处理上述基因工程细胞系及其他多种 ecDNA 肿瘤模型，研究团队获得了 ecDNA 在活细胞内进行自主复制的直接证据。
图2. 人工产生ecDNA在胞内稳定存在并自主复制
为了深入解析 ecDNA 的复制与维持机制，研究团队进一步采用改进的新生链蛋白质富集技术，系统鉴定了与 ecDNA 复制相关的蛋白质组。分析结果显示，在携带 ecDNA 的细胞中，DNA 复制核心机器（例如 MCM 复合物）和表观遗传调控因子（包括组蛋白修饰酶和染色质重塑复合物）显著富集于新生 DNA 链上。值得注意的是，研究意外发现DNA损伤应答相关蛋白在 ecDNA 复制位点呈现异常高水平的富集。通过一系列严谨的功能实验，研究团队证实：与对照组相比，携带 ecDNA 的细胞表现出更严重的基因组不稳定特征，特别是 DNA 双链断裂（DSB）水平显著升高。进一步实验证明，ATM 激酶介导的 DNA 损伤应答通路在 ecDNA 阳性细胞中被特异性激活。这些发现揭示了 ecDNA 复制过程中存在独特的分子特征：一方面需要表观遗传因子的精细调控，另一方面又不可避免地引发 DNA 损伤修复通路的激活。
图3. 利用人工染色体等系统鉴定到ecDNA表观调控因子
基于 ecDNA 松散的染色质结构特征，研究团队提出假说：ecDNA 在细胞周期动态变化过程中可能成为基因组不稳定的重要来源。通过多维度实验验证，研究团队发现，ecDNA 细胞中异常升高的 DNA 损伤水平主要源于两个关键生物学过程：ecDNA 的异常活跃复制和转录。这些过程显著激活了 ATM 介导的 DNA 损伤应答（DDR）通路。在分子机制层面，研究揭示了 ecDNA 上存在独特的拓扑异构酶切割复合物（TOPCC）异常积累现象。这是由于 ecDNA 上高密度的复制/转录复合体与 TOPCC 发生持续性冲突所致，这种冲突最终导致 DNA 双链断裂（DSB）的累积。
值得注意的是，研究团队发现，ecDNA 的稳定维持高度依赖特定的 DNA 损伤修复途径。通过系统性筛选，研究团队采用基因敲低和小分子抑制等手段，对同源重组修复（HR）、经典非同源末端连接（NHEJ）和替代性非同源末端连接（alt-NHEJ）三条主要修复通路进行了功能分析。
令人意外的是，单独或同时阻断 HR 和 NHEJ 通路对 ecDNA 水平影响有限，而特异性抑制 alt-NHEJ 则能显著降低细胞内 ecDNA 的丰度。深入机制研究表明，alt-NHEJ 的缺失会在细胞周期特定阶段阻碍 DSB 修复，进而影响 ecDNA 的环化过程。这导致 ecDNA 要么重新整合回染色体，要么被细胞清除。这一发现不仅阐明了 ecDNA 维持的核心分子机制，也为靶向 ecDNA 的抗肿瘤治疗提供了新的策略方向：特异性干扰 alt-NHEJ 通路可能成为选择性清除肿瘤细胞中 ecDNA 的有效手段。
图4. ecDNA激活DNA损伤并通过alt-NHEJ方式修复
患者临床数据表明，降低细胞内 ecDNA 含量可能有助于肿瘤的治疗。该研究发现 DDR 尤其是 alt-NHEJ 参与了 ecDNA 含量的维持，并解析了其可能的机制。接着研究团队探讨了基于这些研究成果来治疗肿瘤的可行性，发现使用携带 ecDNA 的细胞对 DDR 关键因子如 ATM、CHK、TOP1 等抑制剂更加敏感，这些抑制剂能够显著降低细胞内 ecDNA 的含量，有效杀伤携带 ecDNA 的细胞。这一重大突破指出，靶向 ecDNA 维持过程很有可能成为携带 ecDNA 肿瘤的通用治疗手段。
图5. ecDNA的维持机制与潜在治疗策略探索
该研究系统阐明了肿瘤细胞中 ecDNA 的独特生物学特性：其固有的不稳定性与 DNA 损伤应答（DDR）通路介导的稳定性之间形成了动态平衡体系。这一突破性发现揭示了 ecDNA 通过平衡态调控参与肿瘤发生发展的分子机制，为临床转化提供了新靶点——基于 ecDNA 分子特征开发的靶向药物或将成为 30%-50% ecDNA 阳性肿瘤患者的精准治疗选择。
值得关注的是，该研究揭示的环状 DNA 复制维持机制可能拓展了肿瘤生物学的认知边界。例如，研究提示 HPV 等 DNA 病毒在宿主细胞内的复制过程可能同样依赖于类似的 DDR 通路调控模式，该发现不仅为病原体环状 DNA 复制机制研究开辟了新方向，更为抗病毒治疗策略的研发提供了重要理论依据。
中国科学院深圳先进技术研究院研究员甘海云为论文通讯作者。助理研究员康星、周嘉琦、田聪聪、张洋、邱玲瑜，博士生李欣然、深圳大学博士生邓志文为论文的共同第一作者。深圳大学刘向宇、朱骞教授在本研究中给予了大力支持和提出了宝贵意见。该工作获得了国家合成生物学重点研发计划，国家自然科学基金重大项目及深圳合成生物创新研究院等项目的支持。
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