重磅！科学家成功揭示肿瘤中环状染色体外DNA的结构与功能

2019年11月23日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，一项刊登在国际杂志Nature上题为“Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression”的研究报告中[1]，来自美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校路德维希癌症研究所等机构的科学家们通过研究首次解析了肿瘤染色体外DNA（ecDNA，extrachromosomal DNA）的结构和功能；此前，研究人员通过研究发现，肿瘤中大量扩增的原癌基因其实是以ecDNA的形式存在的，但研究者对于ecDNA的结构及其对基因调节的效应的理解却非常有限。

图片来源：Sihan Wu et al，Nature， 2019； doi：10.1038/s41586-019-1763-5

这项研究中，研究人员发现，在人类肿瘤细胞中存在大量环状的ecDNA，其能够改变癌症相关癌基因的表达模式，促进癌细胞的恶性行为，并且在肿瘤快速进化和抵御威胁（比如化疗、放疗和其它疗法）中扮演着非常关键的角色；基于此前研究结果，本文中，研究人员得出了以下研究发现：1）ecDNA是环状的；2）ecDNA能驱动大量癌基因进行表达；3）ecDNA包括高度开放的染色质；4）ecDNA能促进超远距离的染色质相互作用。

文章中，研究人员通过整合超微结构成像、长程光学绘图和全基因组测序计算机分析技术揭示了ecDNA的环状结构；泛癌症分析（Pan-cancer analyses）结果表明，ecDNA所编码的癌基因是肿瘤转录组中表达最高的基因之一，这就能将增加的拷贝数与肿瘤较高的转录水平相联系起来；而对染色质状态进行定量评估结果表明，尽管ecDNA能被包装到具有完整结构域结构的染色质中，但其仍然缺乏典型的染色体高阶压缩，同时也展现出了显著增强的染色质开放性；深入研究后，研究人员发现，ecDNA与活性染色质之间进行的超长程相互作用的水平会明显增加，这就为深入阐明ecDNA影响癌基因的功能，并将ecDNA生物学特性与现代癌症基因组和表观遗传学特性联系起来提供了新的线索和思路。

研究者Paul S. Mischel教授表示，这或许是一种模式的转变，癌症ecDNA的形状不同于正常的DNA，这对于我们理解癌症生物学和临床影响都有着非常重要的意义；人类的DNA通常会形成长链、扭曲的双螺旋遗传物质：大约有30亿个碱基对组装成23对染色体，其会奇迹般地挤进每个细胞核（每个平均直径只有6微米）。在人类和其它真核生物中，正常的DNA会被仅仅包裹到成为组蛋白八聚体的蛋白质复合物中从而形成细胞核，为了能够获取并读取DNA的遗传指令，细胞必须依靠酶类和复杂的细胞“机器”来切割并移除碎片，而且一次只能读取一部分，就像阅读一个半开的卷轴一样。

研究者表示，癌细胞和细菌有一些相似之处，细菌中含有更易获取的环状DNA，为了调查ecDNA的形状如何影响其功能，研究人员开发出了针对致癌ecDNA的圆形图谱，他们发现，尽管缠绕在蛋白质核周围，但癌症中的环状ecDNA具有高度的开放性，其能允许更多的接入点和场所，以便能够快速转录并表达相应的遗传信息；这一特征就能够促进肿瘤细胞产生大量促生长的癌基因，并能够使其快速进化，并对变化的环境和潜在的威胁更能够快速做出反应。

Mischel说道，通过证明ecDNA具有环状结构且阐明了其表观遗传学架构，我们就能够证明一些非常强大的东西，人类癌细胞中特殊形状的ecDNA不同于正常的人类DNA，其能为研究混乱癌症基因组和表观基因组的3D结构带来新的希望，同时也能帮助理解为何特定肿瘤细胞更具侵袭性。早在2017年[2]，研究人员就发现，编码癌基因的环状DNA短片段或许比科学家们之前认为的要普遍的多，其在大约一半的癌症患者中都能检测到，但在正常细胞中却很少存在；这些环状DNA或许在阐明肿瘤进化及对诸如化疗等治疗手段产生耐药性上扮演着非常关键的角色。

ecDNA非常罕见，在2014年发表的一篇研究报告中[3]，研究者Mischel及其同事就发现，ecDNA能通过促进肿瘤对其所包含的癌基因的数量快速改变的方式，在特定脑瘤药物耐受性发生过程中扮演着关键角色，同时其还能帮助确定是否细胞能够转化为肿瘤细胞，相关研究结果让癌症生物学家非常震惊，他们长期以来重点关注哪些基因会促进癌症发生，而并不是这些基因位于何处。

在这项最新研究中，研究人员戏剧性地发现了癌细胞或许并不像真核细胞那样会遵循相同的生物学原则，其不会通过分裂成为遗传相同的子代细胞浆DNA遗传给后代（有丝分裂过程），细菌和癌症会通过一种看似随机的方式将ecDNA包裹到子代细胞中，从而就能够提供一种特殊机制，而某些特定的子代细胞则会借助这种机制在一次细胞分类过程中接收到多个癌症的拷贝，这是一种明显不同的遗传过程，其能够允许细胞进行更为快速的进化和遗传改变。这项研究中，研究人员应用了包括超微结构电子显微镜等多项先进技术来进行研究，同时研究人员还利用序列分析工具和重建的结构来作为框架对所得到的表观遗传学数据进行分层，来分析染色体内外的DNA的差异。

最后研究者表示，环状ecDNA在肿瘤中普遍存在，由于其缺乏着丝粒，所以并不会按照孟德尔定律进行遗传，这种特性或会使得ecDNA成为驱动肿瘤异质性的重要机制，而这也将会给科学家们开发新型抗癌治疗带来极大的挑战。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Wu， S.， Turner， K.M.， Nguyen， N. et al. Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression. Nature (2019) doi：10.1038/s41586-019-1763-5

【2】Turner， K.， Deshpande， V.， Beyter， D. et al. Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution and genetic heterogeneity. Nature 543， 122–125 (2017) doi：10.1038/nature21356

【3】Nathanson DA， Gini B， Mottahedeh J， et al. Targeted therapy resistance mediated by dynamic regulation of extrachromosomal mutant EGFR DNA. Science. 2014 Jan 3；343(6166)：72-6. doi： 10.1126/science.1241328