在人类癌症的广阔领域中，染色体外DNA（ecDNA）是一个不容忽视的存在。这些通常大于500千碱基对的大型、可移动的、含有基因（和调控区域）的环状DNA分子，常驻于许多癌细胞的细胞核中。它们非染色体的遗传方式和细胞分裂时的随机分配，使得癌基因拷贝数激增，肿瘤内部遗传异质性增加，从而加速基因组变化，推动治疗抗性的产生。ecDNA的高可及性染色质和其环形结构导致的基因调控架构改变，以及形成促进分子间合作的中心倾向，共同产生了高水平的致癌转录，为肿瘤形成贡献了重要力量。ecDNA可以在肿瘤发生的早期阶段出现，也可以在疾病进展的后期被检测到。由于ecDNA通过快速的基因组改变推动治疗抗性，可能因此加速疾病进展，因此区分ecDNA和其他类型的局部扩增至关重要。可以想见，通过计算破译一个扩增基因是否源自ecDNA，以及解码其结构和序列，将有助于全面审视ecDNA在人类癌症中的作用【1-3】。2024年11月6日，来自英国弗朗西斯·克里克研究所的Charles Swanton团队在Nature上在线发表题为Origins and impact of extrachromosomal DNA的文章，分析了来自临床注释的全基因组测序项目——英国基因组（GEL）10万基因组计划（100kGP）的样本，揭示了ecDNA在不同癌症中的多样性，以及它们与组织、遗传和突变背景的关联；探讨了ecDNA作为驱动癌基因（尤其是免疫调节和炎症相关基因）扩增的机制；还识别了只携带增强子、启动子和长非编码RNA（lncRNA）元件的ecDNA，提示其在反式转录中相互作用的组合能力。由此阐明了ecDNA成为重大临床问题的原因，其可以协同驱动肿瘤生长信号、改变转录景观和抑制免疫系统，为理解ecDNA在癌症发展中的作用提供了新的见解，并可能有助于开发新的治疗策略，以靶向ecDNA驱动的癌症。本文研究人员分析了GEL 100kGP的一部分——来自13个英国国家卫生服务基因组医学中心的14,778名患者的15,832例全基因组测序癌症样本，涵盖了39种不同的肿瘤类型，利用计算工具AmpliconArchitect和AmpliconClassifier从这些数据中识别出ecDNA，并通过对特定肿瘤样本进行荧光原位杂交（FISH）技术进行验证（图1）。研究结果揭示了ecDNA在不同肿瘤样本中的分布情况，发现17.1%的肿瘤样本含有ecDNA，且其在不同癌症中的分布和频率差异显著，某些类型如脂肪肉瘤和胶质母细胞瘤中ecDNA检出率较高，而少突胶质瘤中未检出。ecDNA的频率、拷贝数和大小在不同癌症类型中也有很大差异，且与染色体上的扩增相比，源自ecDNA的局部扩增的估计拷贝数更高。此外，研究人员还发现，大多数ecDNA源自单一染色体上的位点，但也有由不同染色体上的基因组成的ecDNA，这在肉瘤和乳腺癌中较为常见。ecDNA上常常不止一个癌基因，这主要是由于它们的致癌基因靠近其原生染色体。由于ecDNA的非染色体遗传特性，它促进了肿瘤内的遗传异质性。与此同时，研究人员对ecDNA上扩增的基因进行分析后发现，ecDNA上的癌基因扩增显示出比染色体扩增更强的选择性，ecDNA上的癌基因数量也更多，且每个ecDNA上的癌基因拷贝数也更高。ecDNA中包含的驱动突变的癌基因承受着强烈的进化压力，提示ecDNA在肿瘤发展中扮演着重要角色，特别是在癌基因的扩增和肿瘤的进化过程中。除此之外，研究人员在34%含有ecDNA的肿瘤中发现了已知的在ecDNA上扩增的免疫调节基因，且其中大多数与附近的癌基因共同扩增，但有41.5%在其相同的ecDNA上缺乏癌基因，提示这些元件可能具有独立的功能。这些免疫调节基因参与了多个过程，包括负向调节免疫效应过程、白细胞介导的细胞毒性以及负向调节淋巴细胞激活等。研究还发现，与仅含癌基因的ecDNA相比，含有免疫调节基因的ecDNA的肿瘤样本中T细胞浸润显著减少，这可能有助于肿瘤逃避免疫反应。尽管不含癌基因的ecDNA上免疫调节基因的拷贝数没有达到含癌基因的ecDNA的水平，但相对于其他不含癌基因的ecDNA，其拷贝数仍然较高。ecDNA生物学的一个方面是具有不同载物的ecDNA能通过反式相互作用形成ecDNA枢纽的能力，这是一种利用组合相互作用的方法，即环形粒子上的增强子与另一个粒子上的启动子相互作用以驱动基因表达。本文研究人员也在肿瘤样本的ecDNA中发现含有仅由增强子、启动子和lncRNA等调控元件组成的调控性ecDNA，与含有编码基因的ecDNA相比，前者显示出更多的远端增强子和启动子，并且它们倾向于通过更小、更简单的结构被扩增。此外，仅含有增强子的ecDNA经常与含有癌基因的ecDNA共同被扩增，并且它们的大小和拷贝数相对较小。在各种癌症类型中，ecDNA与特定肿瘤抑制基因突变、结构和数量染色体不稳定性以及全基因组复制之间的关系在很大程度上是未知的。本文研究结果指出TP53基因突变与ecDNA的存在强烈相关，而MDM2扩增与TP53突变互斥。ecDNA与多种肿瘤抑制基因突变有关，且与全基因组复制、结构变异负担和加权基因组不稳定性指数（wGII）呈正相关，表明ecDNA可能与基因组不稳定性的标志物相关联。不同肿瘤中ecDNA与基因组不稳定性的关系各异，如肉瘤与高复杂性扩增子和结构变异负担相关，而结直肠癌与低复杂性ecDNA和高倍性及高wGII相关。进一步地，研究人员探索了可以优先在含有ecDNA的肿瘤中发现的广泛突变过程。研究结果发现，含有ecDNA的样本相较于那些只有染色体扩增或没有局部扩增的样本，展现出更高的肿瘤突变负担（TMB），尤其是在非超突变表型中。全基因组单碱基替代（SBS）特征，如SBS1（脱氨作用）、SBS4（与吸烟相关）、SBS8（未知）和SBS13（APOBEC胞嘧啶脱氨酶）等，与ecDNA的存在更为强烈相关。相反，与错配修复缺陷（MMRd）相关的SBS特征以及与DNA聚合酶δ 1或DNA聚合酶ε缺陷相关的SBS特征则与ecDNA形成负相关。研究还发现ecDNA上的突变显著富集于同源重组缺陷（SBS3）的特征，并且与APOBEC相关的突变（SBS2和SBS13）在ecDNA上也更为常见。此外，药物处理如替莫唑胺（TMZ）可以通过诱变和随后的选择影响ecDNA的进化，深入研究发现ecDNA的检测与既往化疗和靶向治疗显著相关。ecDNA与更高级别的肿瘤分期、转移及治疗抗性相关，其检测与较短的总体生存期相关，且这种影响独立于基因组不稳定性。综上所述，本研究通过分析大量癌症样本，揭示了ecDNA在肿瘤发展和治疗抗性中的关键作用。ecDNA不仅促进癌基因扩增，还涉及免疫逃逸，与肿瘤高分期和预后不良密切相关。这一发现为癌症的精准治疗提供了新视角，强调了针对ecDNA的潜在治疗策略，有望改善患者的生存前景。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08107-3制版人：十一
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