最新一期《Nature》上发表了3篇关于染色体外DNA（ecDNA）的文章，小编的科研热点雷达瞬间响起，或许这将成为肿瘤学研究的新热点。这3篇文章来自eDyNAmiC小组，其是由斯坦福大学、英国伦敦大学学院、弗朗西斯·克里克研究所等多国科研团队组成。所以，趁着ecDNA还不被大众熟知，快来一起研究学习一下吧。一、ecDNA的起源及作用[2]
单个 ecDNA 是一种大型、可移动、含基因（和调节区）的环状 DNA 颗粒，可在许多癌细胞的细胞核中发现，是人类癌症中扩增癌基因的常见来源。在细胞分裂过程中，ecDNA 的非染色体遗传和由此产生的随机分离，促使癌基因拷贝数和肿瘤内遗传异质性增加，从而促进基因组的快速变化，产生耐药性，因而可加速疾病进展。而ecDNA染色质高可及性、环状结构导致的基因调控结构的改变、以及形成促进分子间合作枢纽的倾向，产生了高水平的致癌转录，从而促进了肿瘤发生。
研究团队通过分析来自十万基因组计划的39种肿瘤数据，发现17.1%的肿瘤样本含有ecDNA，并揭示了一种高度基于组织环境选择的 ecDNA模式，将其基因组频率和含量与组织来源联系起来。
图1.1 39 种肿瘤的 ecDNA 概况图而后研究发现，ecDNA 不仅是驱动癌基因扩增的一种机制，也是免疫调节和炎症基因频繁扩增的一种机制。并且，携带免疫调节基因的 ecDNA 与肿瘤 T 细胞浸润减少有关。研究进一步发现了只携带增强子、启动子和lncRNA元件的ecDNA，表明了ecDNA之间反式相互作用的组合能力。研究还确定了与ecDNA相关的内在和环境突变过程，包括与ecDNA形成和进展相关的过程。
图1.2 ecDNA免疫调节最后，研究在临床方面发现，ecDNA的检测与肿瘤分期有关，在靶向治疗和细胞毒性治疗后更为普遍，并与转移和较短总生存期有关。
图1.3 ecDNA与临床预后二、ecDNA在肿瘤细胞中的作用[2]
在这项研究中，研究团队提出并解决了3个问题：
（1）异质性的ecDNA种类如何分布在细胞群体中;
（2）由于ecDNA在有丝分裂期间被不平等地分离，这些ecDNA混合物如何被子细胞遗传;
（3）在选择压力下，多种ecDNA类型如何动态影响癌症演变。
癌症中的ecDNA扩增是高度异质性和动态的，研究首先发现，在癌症细胞系和患者样本中，编码不同癌基因的多个ecDNA同时存在，不同类型ecDNA往往与相关的拷贝数同时出现。
图2.1 编码不同癌基因序列的 ecDNA 在单个癌细胞中具有相关性而后研究发现，与传统的染色体上基因分离规律不同， ecDNA 是通过有丝分裂共同分离协调遗传的。
图2.2 ecDNA 共同分离到子细胞中进一步分析发现，分子间相互作用和主动转录促进了ecDNA的共分离。计算建模揭示，ecDNAs的协调遗传使只含有增强子元素的特化ecDNAs能够共同扩增，共同消耗协同ecDNA的致癌基因。这些进化关联有助于ecDNA的特化和对靶向治疗的反应。
图2.3 ecDNA 动态进化模型揭示共同遗传原理最后，研究发现靶向药物可能通过影响ecDNA的共分离和共选择，间接调节癌细胞中其他种类ecDNA的拷贝数，但ecDNA与染色体的整合可能会破坏这种调节，从而导致耐药性。
图2.4 ecDNA的特化和治疗重塑三、ecDNA靶向治疗的潜在研究方向[3]
研究发现，ecDNA 为转录启动提供了有利的染色质环境，从而导致 RNA和 单链DNA 的积累。与染色体位点相比，广泛存在的 RNA 转录和相关的单链 DNA 会导致过度的转录-复制冲突和复制压力。
图3.1 转录-复制冲突在 ecDNA 上产生复制压力而相较于染色体上相同位点的扩增，ecDNA 上的 DNA 损伤程度更高。因此，含 ecDNA 的癌细胞可能会过度依赖复制压力调节机制，以应对转录-复制冲突导致的基线 DNA 损伤水平升高。而转录-复制冲突、复制压力和基线DNA损伤增加是ecDNA的共同特征，并驱动S期检查点的激活。在含 ecDNA 的肿瘤细胞中，S 期检查点激酶 CHK1抑制性基因或药物会导致其广泛和优先死亡。
图3.2 复制压力激活S期检查点，使含 ecDNA 的肿瘤细胞易受 CHK1抑制作用的影响高水平的转录-复制冲突和复制压力，使 ecDNA+ 细胞对 CHK1i 具有选择性的脆弱性，从而为有效的 ecDNA 靶向疗法提供了可能性。研究的进一步探索发现，通过将选择性 CHK1 抑制剂与针对扩增驱动癌基因蛋白产物的靶向疗法相结合，可以产生协同抗肿瘤活性，从而减轻 ecDNA 介导的耐药性。此外，研究还开发了一种高选择性、强效和生物可利用性的口服 CHK1 抑制剂 BBI-2779，它能优先杀死含 ecDNA 的肿瘤细胞。
研究团队的3篇文章涵盖了ecDNA的“从有到无”，研究了癌症中 ecDNA 元素的多样性，揭示了相关的组织、遗传和突变背景。揭示了为什么 ecDNA 是一个重要的临床问题，因为它可以协同驱动肿瘤生长信号、改变转录图景和抑制免疫系统。而ecDNA 特殊的共分离遗传方式，可促进大量癌基因的转录和基因组的快速进化，从而使肿瘤具有抗药性，导致患者生存率低下。而ecDNA往往与不良预后相关，且没有有效的治疗手段。研究团队在此基础上发现，增强转录-复制冲突能够有针对性地消除含 ecDNA 的癌症，转录-复制冲突可成为ecDNA靶向疗法的位点，利用过度合成的致死性来治疗癌症。
对ecDNA感兴趣的小伙伴可以好好阅读这3篇重量级的文章，系统地学习一下这个肿瘤治疗潜在靶点。文章从机制到可能的临床应用都进行了深入研究，不仅可以加深我们目前对ecDNA的了解，还可以为我们未来的研究方向提供有力的依据。此外，文章中应用的分析方法及选择策略也值得我们借鉴学习，未来更好地运用在自己的研究中。
添加微信
精彩推送不错过
参考文献
[1] Bailey, C., Pich, O., Thol, K. et al. Origins and impact of extrachromosomal DNA. Nature 635, 193–200 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08107-3
[2] Hung, K.L., Jones, M.G., Wong, I.TL. et al. Coordinated inheritance of extrachromosomal DNAs in cancer cells. Nature 635, 201–209 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07861-8
[3] Tang, J., Weiser, N.E., Wang, G. et al. Enhancing transcription–replication conflict targets ecDNA-positive cancers. Nature 635, 210–218 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07802-5
