Nat Cell Biol | 癌基因的“超级加速器”：藏在ecDNA上的远古增强子

撰文 |咸姐

在癌症生物学领域，染色体外DNA（extrachromosomal DNA,ecDNA）的发现重塑了我们对肿瘤演化的认知。ecDNA是独立于染色体存在的大型环状DNA分子，不包含着丝粒与端粒结构，因此在细胞分裂过程中能够被随机、不平等地分配到子代细胞中。这种独特的遗传方式，使得携带癌基因（如著名的MYC）的ecDNA能够在部分细胞群体中迅速扩增，形成高拷贝数，从而极大地增强了癌基因的表达水平。研究表明，约15%的人类癌症在确诊时便存在ecDNA，尤其在侵袭性强、预后差的肿瘤类型中更为常见。ecDNA不仅是癌基因扩增的“引擎”，更是驱动肿瘤内异质性、基因组不稳定性以及治疗耐药性的关键因素，其复杂的生物发生过程通常与染色体重排事件（如染色体碎裂和断裂-融合-桥循环）密切相关【1,2】。

ecDNA的强大致癌能力，与其独特的三维空间调控机制密切相关。与受染色质拓扑结构严格约束的染色体基因不同，ecDNA在核内更为灵活，能形成活跃的转录中心，从而“劫持”或创造高效的调控元件，使其携带的癌基因获得远超正常水平的表达【3】。然而，这些在ecDNA上被特异性激活、并强力助推癌基因表达的关键增强子究竟源自何处，仍是未解之谜。与此同时，人类基因组中大量存在的转座元件（TE）在癌症中的作用日益凸显。在正常细胞中，这些重复序列（如LINE、SINE）通常被表观遗传机制所沉默。但在癌细胞中，全局性的表观遗传失调常常导致它们被重新激活。既往研究显示，激活的转座元件可通过插入突变破坏基因功能，或作为隐蔽的增强子重塑基因调控网络，从而促进肿瘤发生，然而其在ecDNA上的功能与作用尚未被系统探索。

近日，来自美国斯坦福大学医学院的Howard Y. Chang团队在Nature Cell Biology上在线发表题为Enhancer activation from transposable elements in extrachromosomal DNA的文章，通过研究ecDNA的三维空间结构，发现与ecDNA结构变异相关的重复元件存在显著富集现象，并将其归类为ecDNA互作元件（EIE）。研究发现，当一个含有古老L1M4a1 LINE片段的特定EIE插入ecDNA后，会引发该元件的表达，而这种表达对癌细胞的生存适应性至关重要，由此揭示了特定重复元件的存在与癌基因在ecDNA上的异常表达之间的关系。

本文研究人员首先在携带MYC基因扩增ecDNA的结直肠癌细胞COLO320DM中进行了Hi-C（高通量染色体构象捕获）分析，发现ecDNA与基因组中其他染色体存在着异常的相互作用模式，这些相互作用区域富含转座元件，如长散在核元件（LINE）、短散在核元件（SINE）和长末端重复序列（LTR）。研究人员将这些通常含有反转录转座子的1-kb相互作用称为EIE。长读长纳米孔测序结果则证实，这些EIE普遍参与了广泛的结构重排事件，并且与重建出的ecDNA区间存在大量重叠，其测序覆盖度远高于基因组平均水平，这有力地表明这些富含转座元件的EIE本身就被整合到了ecDNA分子之上，是ecDNA结构变异中的一部分，而非独立的染色质互作。

随后，研究人员探究了ecDNA与EIE重排之间的重叠情况，发现了一个位于3号染色体上、含有一段与古老转座元件L1M4a1（与LINE-1存在远缘关系）同源的序列的特定互作元件EIE 14，其在ecDNA上的位置与MYC癌基因邻近。研究结果证实，EIE 14被插入到了8号染色体扩增区CASC8和CASC11基因之间，距离MYC约200千碱基对的位置，并且不同大小的ecDNA条带均含有该插入，体现了ecDNA分子的异质性。对公共数据库的检查发现，该EIE 14与MYC ecDNA的连接断点在约46%的无病个体中作为一种既有的结构变异存在。由此表明，EIE 14并非在癌症中新产生的突变，而是在肿瘤形成前就已存在于患者基因组中的一个“乘客”序列，随后在MYC基因座被剪切并环化成ecDNA的过程中，被一同扩增并携带至ecDNA上。

进一步地，研究人员运用光学重建染色质结构（ORCA）技术，对EIE 14与MYC基因之间的空间关系进行了定量分析。通过设计分别靶向EIE 14、MYC外显子2、PVT1外显子1以及EIE 14所在染色体3的特异性探针，研究人员发现EIE 14与MYC在ecDNA扩增的细胞中被同步扩增到相似的拷贝数，并且两者的信号点数量在细胞间呈现强相关性，表明它们并非随机分布，而是倾向于共同存在于同一ecDNA分子上。通过计算所有信号点之间的最短 pairwise 距离并进行Ripley's K空间点模式分析，他们发现EIE 14与MYC在小于300纳米的调控距离内表现出显著的空间聚类行为，这种近距离接触在12%的MYC-EIE 14配对中得以实现。这些结果证实了EIE 14在三维空间内与MYC频繁发生近距离接触，其空间聚类模式类似于增强子-启动子的相互作用，暗示了其潜在的顺式及反式调控作用。

最后，研究人员利用CRISPR干扰（CRISPRi）筛选技术在COLO320DM细胞中进行增殖实验，发现靶向的部分EIE（包括EIE 14在内）能够促进癌细胞的生长和生存适应性，抑制EIE 14可导致细胞生长出现显著的急性缺陷。通过表观基因组学分析，研究人员又发现EIE 14在ecDNA背景下呈现出开放的染色质状态并富集H3K27ac和BRD4等典型的增强子相关标记，这与该序列在正常细胞系中通常被H3K9me3标记所抑制的状态形成鲜明对比。荧光素酶报告基因实验结果则表明EIE 14序列能显著激活MYC启动子驱动的基因表达。值得一提的是，通过RNA-FISH技术比较ecDNA阳性的COLO320DM细胞和仅存在染色体整合型扩增（HSR）的等基因细胞，发现EIE 14的转录只特异性地发生在ecDNA存在的细胞中。这些结果表明，EIE 14在ecDNA的独特环境中被激活，具备了强大的增强子功能，并通过调控MYC等癌基因的表达，成为维持癌细胞生存与增殖的关键因子（图1）。

图1

综上所述，本研究揭示了一种癌症演进的新范式，即ecDNA能够“劫持”并激活基因组中通常处于沉默状态的转座元件，将其转化为驱动肿瘤生长的功能性增强子。研究以EIE 14为例，证明这个古老的LINE元件在整合到MYC癌基因附近的ecDNA后，不仅在三维空间内与MYC频繁互聚，更展现出关键的增强子活性和维持癌细胞生存的能力。这一发现阐明，ecDNA不仅是癌基因的扩增载体，更是一个功能强大的“调控元件重组平台”，它通过重新激活基因组中的“化石”序列，重塑致癌基因调控网络，从而极大地增强了肿瘤的适应性与进化潜力，无疑为理解癌症的复杂性开辟了新视角，并为针对ecDNA及其活化元件的治疗策略提供了理论基础。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01788-6

制版人： 十一

参考文献

1. Kim, H. Extrachromosomal DNA is associated with oncogene amplification and poor outcome across multiple cancers.Nat. Genet.52, 891–897 (2020).

2. Rosswog, C. Chromothripsis followed by circular recombination drives oncogene amplification in human cancer.Nat. Genet.53, 1673–1685 (2021).

3. Wu, S. Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression.Nature575, 699–703 (2019).

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