环状DNA的过去和未来！

责编 | 兮相信很多读者都跟小编一样，当第一次看到2019年11月21日发表在Nature上的那篇首次解析了ecDNA的结构与功能的长文时 ，脑海里闪现了大大的“Amazing”，像一位远游已久的朋友突然出现，熟悉又陌生的感觉（ ）。ecDNA是什么？ecDNA的中文名字叫做染色体外DNA （Extrachromosomal DNA） 。其实，这并不是一个新鲜的词汇，染色体物质在常染色体组之外的存在已经被认识很久了，它们与癌基因的扩增及癌症发生发展的关系也早已被研究者发现。但是，ecDNA它也并不像其他分子如非编码RNA那样被大众广知。 事实上在前述提及的Nature文章发表之前，今年年初来自美国加州大学圣地亚哥分校的Paul S. Mischel教授 （Nature研究论文的Last author） 、Vineet Bafna教授以及杰克逊基因组医学实验室的Roel G. W. Verhaak教授，在Nature Reviews Cancer上发表观点性论文“Extra chromosomal oncogene amplification in tumour pathogenesis and evolution”，详细介绍了癌基因在ecDNA上扩增的重新发现的过程，强调ecDNA在肿瘤发病机制和加速癌症进化中的重要性。下面请跟着编者一起走进ecDNA的过去和未来，了解这个神奇的分子。

ecDNA的发现史
在真核细胞中，在染色体外的DNA中发现基因的存在并不新鲜，迄今为止，在研究的许多真核生物物种中都能发现染色体外的DNA颗粒，包括酵母、果蝇、线虫、甚至是人。这之中，有部分被称为染色体外环状DNA (eccDNA) ，根据生物物理学方法和DNA测序，其被认为是环状的，通常小于1 kb，并且在光学显微镜下是看不见的，包括端粒环、多分散的小DNA元件、microDNA等。这些小的DNA元件缺少完整的基因，并且在正常细胞和肿瘤细胞中都存在，但是仍有研究证实，它们可能可以通过促进端粒的选择性延长或加剧基因组的不稳定性而在肿瘤的发生发展中起重要作用。 与eccDNA几乎同时被发现的，是另外一类染色体外的DNA颗粒，与前者相比，后者主要有以下不同：分子量很大，通常在1-3Mb或者更大；包含1个或多个完整的基因和调节区域；光学显微镜下可见。本文作者用ecDNA来描述这类染色体外的DNA颗粒，包括双微体形式和缺少着丝粒或端粒的形式，这也是本文阐释的重点。 最早关于癌基因可能存在于ecDNA元件的报道可以追溯到20世纪80年代，当时Alt和他的同事使用克隆的方法，在IMR-32神经母细胞瘤细胞系中证明，类似MYCN基因的序列可以定位到均质染色区 （Homogeneously staining regions，HSR） 和双微体上【1】。随后，ecDNA上癌基因的扩增及其复制机制被陆续破解。所有的这些研究都极具前瞻性，都提示着癌基因在ecDNA上扩增的重要性。但是，正所谓生不逢时，ecDNA的发现大大早于人类基因组计划的完成，当高通量测序盛行的时候，当其被证明在检测体细胞变化方面非常有效之际，该领域的研究重点转向了全基因组的体细胞变异，而不再是染色体外扩增。事实上，那个时候，根据Mitelman的癌症染色体畸变和基因融合数据库，ecDNA被认为是癌症中的一个罕见事件，其在肿瘤中的发生率只有1.4%。为ecDNA正名——在癌细胞中很重要直到2014年，Mischel实验室发现胶质母细胞瘤对EGFR抑制剂的耐药性是由ecDNA上的EGFRvIII功能获得性突变的可逆性丢失引起的【2】，人们才重新开始注意ecDNA的功能。研究者们发现，高通量短读长DNA测序方法，虽然可以通过比较肿瘤基因组和生殖细胞基因组之间的序列读取密度来推断肿瘤DNA拷贝数分布，但是它通常是将癌细胞中的扩增基因匹配到它们在正常组织中的对应染色体位点上的，这就很有可能导致ecDNA在测序过程中的大量丢失。因此，科学家们结合全基因组测序、计算机和细胞遗传学图像分析，开发出一种无偏倚的ecDNA检测方法，检测结果发现在天然染色体位点上的癌基因扩增相对较少，但是在癌症中ecDNA的扩增则较为普遍【3】。 随后，越来越多的实验都表明，ecDNA的存在是强大且普遍的，它可以使癌基因在肿瘤细胞中的拷贝数大量增加，而这对于染色体扩增来说是很难实现的。此外，研究还发现，由于ecDNA缺少着丝粒，使得它们在有丝分裂时随机不均匀分配到子代细胞中（图1），因而其扩增使肿瘤能够快速获得并维持瘤内遗传异质性，这也意味着ecDNA在加速肿瘤进化中起着核心作用。

参考文献

1. Kohl, N. E.et al. Transposition and amplification of oncogene-related sequences in humanneuroblastomas.Cell.1983, 35, 359–367. 2. Nathanson,D. A. et al. Targeted therapy resistance mediated by dynamic regulation ofextrachromosomal mutant EGFR DNA.Science. 2014, 343, 72–76. 3. Turner, K.M. et al. Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution andgenetic heterogeneity.Nature. 2017, 543, 122–125.