癌症的发展往往伴随着癌基因的扩增，这些基因通过增加其编码序列的拷贝数来推动肿瘤的恶性进程。癌基因经常在一种被称为ecDNA的兆碱基对大小的环状染色体外DNA上被扩增，这种ecDNA自1965年首次报道以来，就以其在几乎半数的人类癌症类型中的广泛存在而备受关注。由于ecDNA分子在有丝分裂过程中缺乏中心粒，导致它们在细胞分裂时不均匀地遗传，从而为肿瘤的异质性和快速适应环境压力提供了“进化的燃料”，推动着肿瘤的恶性发展【1,2】。ecDNA展现出显著的遗传序列多样性。首先，源自不同染色体位点的多个ecDNA可以共存于同一癌细胞中，常聚集在细胞核内的微米级中心，使得不同ecDNA之间的基因激活成为可能。其次，ecDNA包含聚集的体细胞突变，暗示了APOBEC3介导的突变过程，增加了ecDNA序列和功能的多样性。第三，ecDNA可以包含来自不同基因组位点的序列复杂结构重排。有时，DNA损伤会促使ecDNA聚集，甚至融入微核，进一步引发DNA的断裂和重组，产生新的ecDNA种类。这些异种ecDNA可能携带不同的癌基因，或者仅包含增强子序列，它们在癌细胞中如同一支支特种部队，通过协同作用增强癌基因的表达【3，4】。ecDNA遗传序列的多样性以及ecDNA之间在癌细胞群体中的相互作用的重要性，引发了关于（1）异质性ecDNA种类如何在细胞群体中分布；（2）由于ecDNA在有丝分裂过程中不均匀地分离，这些ecDNA混合物如何被子代细胞继承；以及（3）多个ecDNA种类的动态如何影响选择压力下的癌症进化的问题。2024年11月6日，来自美国斯坦福大学的Howard Y. Chang团队在Nature上在线发表题为Coordinated inheritance of extrachromosomal DNAs in cancer cells的文章，通过结合影像分析、单细胞和批量测序以及计算建模，阐明了癌症中ecDNA共同进化的原理和后果，揭示了癌细胞中ecDNA种类的协调遗传机制，发现携带不同癌基因的多个ecDNA在癌细胞中共同存在并呈现拷贝数相关性，它们在有丝分裂时不对称地协调分离，导致子细胞在自然选择前就获得多个ecDNA拷贝数的增加，这一过程受到分子间接近性和有丝分裂初期的活跃转录活性的影响。由此不仅阐明了ecDNA在癌细胞中的遗传规律，还为癌症的表观遗传调控和治疗提供了新的视角。本文研究人员首先分析了来自TCGA数据库的全基因组测序（WGS）数据的ecDNA结构，发现在1,513个患者肿瘤样本中，有289个样本含有ecDNA，其中超过25%含有两种或以上的ecDNA种类，这些种类通常高度扩增，并携带已知的癌基因。进一步地通过三种不同的方法：（1）中期染色体展开后的DNA荧光原位杂交（FISH）技术；（2）分离单核后使用单细胞转座酶可接近性染色质高通量测序（scATAC-seq）和RNA测序（RNA-seq）进行基于液滴的单细胞检测；（3）通过核酸外切酶酶切和滚环扩增对单个细胞中的ecDNA进行富集和测序（scCircle-seq），研究人员发现这些不同的ecDNA种类在癌细胞中不仅共存，而且在拷贝数上呈现正相关性，表明在癌细胞系和患者样本中，不同的ecDNA种类倾向于与相关拷贝数同时发生，远远超过了预期的偶然性。随后，研究人员观察了多个含有不同ecDNA种类的癌细胞系在有丝分裂过程中ecDNA的分配情况。研究结果显示不同的ecDNA种类倾向于被协调地分配到子代细胞中，这种分配方式称为共分离。具体来说，继承了更多某一种ecDNA种类的子细胞，往往也会继承更多另一种ecDNA种类，这种相关性远远超出了随机分配的预期。对ecDNA共分离的分子机制进行深入探索发现，在有丝分裂过程中，ecDNA分子倾向于在称为ecDNA中心的核内微米级中心聚集，这些中心在有丝分裂期间保持为一个单元，导致多个ecDNA分子共分离到同一个子细胞核。通过实验，研究人员观察到转录抑制，特别是使用triptolide这种抑制转录起始的药物，能够减少ecDNA的共分离现象，而其他影响转录延伸的药物则没有这种效果。这表明转录起始而非延伸阶段，对于ecDNA种类的共分离至关重要。此外，研究还发现在有丝分裂开始时，ecDNA上的癌基因转录活跃，这与ecDNA共分离的促进作用相一致。这些结果表明在有丝分裂之前和开始时，分子间接近性和活跃转录有助于将ecDNA种类协调地遗传到子代细胞中。进一步地，研究人员构建了一个基于个体的前向时间进化框架，模拟了在不断增长的肿瘤细胞群体中两种不同ecDNA种类的动态。通过模拟100万个癌细胞，研究人员发现ecDNA种类的共存主要由多代的选择压力驱动，并且共分离对细胞内ecDNA拷贝数的相关性有显著影响。此外，模型还预测了在实验中观察到的ecDNA拷贝数分布，揭示了共选择和共分离是维持癌细胞中ecDNA共分配的关键因素。与此同时，研究人员在SNU16胃癌细胞系中发现了一种源自非编码基因区域的ecDNA，它包含开放的染色质区域、H3K27ac标记，并与FGFR2启动子接触，表明其含有活跃的增强子。这种只有增强子（enhancer-only）的ecDNA可能通过与其他ecDNA分子的协同作用来提升癌基因表达，类似于一种“利他主义”的ecDNA。实验结果证实，共分离和共选择的共同作用，使得这种enhancer-only ecDNA与编码癌基因的ecDNA在大多数癌细胞中得以维持，其中共选择对于其维持尤为重要。实验结果还显示，约20%的ecDNA分子包含这种增强子序列而不包含任何癌基因，且大多数细胞（98%）含有这种enhancer-only ecDNA种类，表明这种特别的ecDNA能够通过与携带癌基因的ecDNA的协同互作而被稳定维持。最后，研究人员探讨了药物对ecDNA种类的影响。使用FGFR2抑制剂pemigatinib处理含有MYC和FGFR2 ecDNA的SNU16m1胃癌细胞系，研究人员发现药物处理初期，FGFR2和MYC ecDNA拷贝数均减少，但随着时间的推移，MYC ecDNA拷贝数恢复并进一步扩增，表明MYC ecDNA可能在药物抗性中被选择。此外，FGFR2 ecDNA的拷贝数降低伴随着其与染色体的整合，这可能促进了药物抗性的产生（图1）。这些结果表明，靶向药物治疗可能通过影响ecDNA种类的共分离和共选择，间接调节癌细胞中其他ecDNA种类的拷贝数，但这种调节可能因ecDNA与染色体的整合而被破坏，导致耐药性的产生。图1 pemigatinib选择下的基因组变化示意图综上所述，本研究深刻揭示了癌细胞中ecDNA种类的协调遗传机制，发现它们通过有丝分裂的共分离被稳定传递，这一过程受转录活性的调控。研究不仅证实了ecDNA种类间的共选择和共分离对维持癌基因合作和基因调控回路的稳定性至关重要，而且发现药物干预能够影响ecDNA种类的拷贝数动态，为癌症治疗提供了新的视角。这些发现不仅丰富了我们对癌症基因组异质性的理解，也为开发针对ecDNA的靶向治疗策略开辟了新途径，有望在癌症治疗领域引发一场革命性的变革。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07861-8制版人：十一
1. Yan, X., Mischel, P. & Chang, H. Extrachromosomal DNA in cancer. Nat. Rev. Cancer 24, 261–273 (2024).
2. Lange, J. T. et al. The evolutionary dynamics of extrachromosomal DNA in human cancers. Nat. Genet. https://doi.org/10.1038/s41588-022-01177-x (2022).
3. Hung, K. L. et al. ecDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression. Nature 600, 731–736 (2021).
4. Hung, K. L. et al. Targeted profiling of human extrachromosomal DNA by CRISPR-CATCH. Nat. Genet. https://doi.org/10.1038/s41588-022-01190-0 (2022).
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