Cell | 再次发现染色体外DNA新特性：张书等揭示ecDNA如何驱动致癌基因融合与转录本扩增

染色体外DNA（Extrachromosomal DNA，ecDNA）是常见的癌症驱动因子，且仅存在于肿瘤细胞中。临床数据显示，ecDNA存在于超过50%的癌症类型中，包括胶质母细胞瘤、肺癌、乳腺癌、结直肠癌、肉瘤等最具侵袭性的恶性肿瘤。更重要的是，其存在与患者预后显著相关——携带ecDNA的肿瘤往往生长更快、更易转移、对治疗产生耐药性的速度也更快。许多关键的癌基因，如MYC、EGFR、HER2等，被发现高频出现在ecDNA上，并以远超染色体扩增的效率被大量复制。与常规染色体DNA不同，ecDNA是一种大小可达数百万碱基对的环状DNA，它独立于染色体存在，在细胞核内弥漫性分布。其最显著的特征是缺乏着丝粒——这一在细胞分裂中确保染色体均等分配的关键结构。正是这一缺失，赋予了ecDNA独特的生物学特性：在细胞分裂过程中，它们被不对称地传递给子代细胞，导致同一肿瘤内不同细胞携带的ecDNA拷贝数存在巨大差异。鉴于ecDNA肿瘤的高恶性程度和高发性，亟待阐明其特异的分子机制以研发新的诊断与治疗方法。

2026年1月7日 ，来自美国斯坦福大学的Howard Y. Chang教授与Paul S. Mischel教授团队再次合作，在Cell杂志上发表了题为EcDNA-borne structural variants drive oncogenic fusion transcript amplification的文章，系统揭示了ecDNA如何在特定癌症类型中驱动融合致癌基因的扩增。该研究不仅绘制了首张ecDNA来源的融合转录本全景图谱，更发现热点融合基因PVT1能通过稳定其mRNA来赋予肿瘤进化优势，这为理解ecDNA驱动的癌症进展以及开发新的诊断与治疗策略提供了全新靶点。

该研究从ecDNA最基本的两个特性入手，作为研究背景展开。 第一是其作为不稳定遗传单元的进化动力学特性。研究团队此前通过精巧的CRISPR基因编辑实验，在实细胞群体便会迅速扩张并占据主导地位。这一实验直观证明，ecDNA并非被动的遗传碎片，而是肿瘤应对环境压力的动态进化平台——它能通过快速改变基因剂量，筛选出最适应环境的细胞克隆。第二是ecDNA作为基因组结构变异“热点”的特性。对ecDNA阳性细胞的全基因组测序分析发现，这些环状DNA上布满了基因重排的痕迹，不同距离乃至不同染色体来源的DNA片段以复杂的方式连接在一起。这种重排不仅改变了DNA序列的排列，还可能导致异常融合转录本的大量产生。基于ecDNA兼具快速进化能力与结构变异倾向这两个特性，研究团队提出假设：ecDNA可能通过促进特定的基因融合事件，为肿瘤提供双重优势——即结构变异带来的新功能，以及ecDNA随机遗传赋予的快速进化能力。为验证这一假设，需要进行大规模的系统性分析。

研究团队建立了一套新的分析流程，整合了来自癌症基因组图谱（TCGA）和癌细胞系百科全书（CCLE）数据库的1825个样本数据，涵盖83种癌症亚型（图一）。通过将配对的全基因组测序数据（用于揭示ecDNA、线性扩增结构及DNA结构变异）与转录组测序数据（用于揭示RNA融合事件）进行关联分析，并将DNA和RNA层面的融合基因断点信息与ecDNA/非ecDNA状态相结合，他们发现结构变异断点与RNA融合断点在全基因组范围内显示出惊人的共定位模式。这些共同的“热点”区域，精确对应着那些已知在ecDNA上高频扩增的经典癌基因位点，如MYC/PVT1、EGFR、MDM2、ERBB2等。相比之下，染色体线性扩增区域虽然也存在结构变异，却很少产生相应高频率的RNA融合事件。在各类局灶性扩增事件中，ecDNA表现出显著更高的基因融合率——无论在DNA水平（支持融合的结构变异更多）还是RNA水平（融合转录本的发生率更高）。此外，当研究人员按癌症类型对融合事件进行分类时，发现ecDNA介导的融合事件表现出强烈的癌种特异性偏好：PVT1融合在肺癌中占主导；ERBB2相关融合在乳腺癌中高频出现；胶质母细胞瘤富含EGFR融合；而肉瘤中则多见MDM2融合。这种非随机的分布模式强烈暗示，ecDNA介导的融合事件并非偶然的基因组错误，而是在特定肿瘤微环境的进化压力下被“精挑细选”出来的优势变异。

图一 . ecDNA上致癌基因融合的全景图谱 。（A） 分析流程。（B）不同扩增类型下，结构变异（SV）与RNA融合负荷的全基因组分布。（C）不同扩增类型下的结构变异支持融合（SVGF）率与RNA融合率。（D）致癌基因RNA融合的富集分析。

与此同时，研究人员也发现融合基因在ecDNA阳性样本中的表达量显著更高。为探究这种表达上调是否仅由高拷贝数驱动，该团队利用纳米孔长读长测合转录本都比其对应的标准转录本更稳定——半衰期显著延长。为探索PVT1增强mRNA稳定性的具体机制，研究人员采用ChIRP-MS技术来捕获相关的RNA结合蛋白。ChIRP-MS是一项能在天然细胞环境中捕获与特定RNA直接相互作用的蛋白质组的技术，其核心是利用生物素标记的互补DNA探针特异性“钓取”靶RNA及其结合蛋白，再通过质谱进行鉴定。巧妙的实验设计来自一对高度扩增MYC/PVT1的结直肠癌细胞系COLO320：COLO320DM细胞携带ecDNA，其MYC转录本异构体以PVT1-MYC融合体为主；而COLO320HSR细胞虽拥有相似拷贝数的MYC扩增，却主要表达标准MYC转录本。对这两个细胞系MYC异构体的ChIRP-MS分析显示，PVT1-MYC融合转录本特异性地富集了与细胞质翻译及RNA稳定性功能相关的RNA结合蛋白。其中，富含丝氨酸/精氨酸的剪接因子SRSF1在不同数据集中均特异性结合于PVT1 exon1。与标准MYC相比，SRSF1对PVT1-MYC转录本的结合更具特异性，通过在PVT1融合基因转录本上设计一系列点突变和片段缺失，发现SRSF1结合点位于PVT1外显子1的5′端，对RNA逃避翻译耦联性降解发挥了至关重要的作用。

研究团队选择PVT1-MYC这一最常见的ecDNA融合转录本，深入探索其功能后果。在MYC依赖性癌细胞模型中，当内源性MYC表达被抑制时，细胞会大量死亡；而引入外源的PVT1-MYC融合基因，比引入等量的标准MYC基因更有效地挽救了细胞存活。这表明，融合事件不仅改变了表达水平，更增强了MYC的致癌功能。为进一步理解这种功能增强对下游基因的调控，研究人员采用单细胞RNA异构体测序技术（Flex-seq），对天然携带PVT1-MYC融合转录本的COLO320DM细胞进行了深入分析。由于ecDNA的随机遗传特性，单个细胞之间的融合基因拷贝数和表达水平差异巨大。根据PVT1-MYC表达水平将细胞从低到高分为五组后，研究人员发现：高表达PVT1-MYC的细胞群体中，MYC下游致癌通路被显著且特异性地激活。这种激活不仅在体外培养中得到证实，在动物模型中也得到验证，说明PVT1-MYC融合能够在复杂的体内微环境中有效驱动肿瘤生长。

图 二 . ecDNA来源的致癌基因融合模型

综上所述 ，高度重排的ecDNA驱动癌症恶化的完整链条得以串联（图二）：首先，ecDNA的环状结构和不稳定遗传特性使其成为结构变异的热点，催化产生特异性基因融合；接着，这些融合事件通过增强RNA稳定性获得表达优势，超越了单纯的基因剂量效应；最后，稳定高表达的融合产物异常激活致癌通路，赋予细胞更强的生存和增殖能力，并在ecDNA随机分配的帮助下迅速扩张，主导肿瘤进化。该研究揭示了ecDNA来源的癌基因融合RNA作为检测ecDNA阳性癌症生物标志物的临床潜力。未来的研究若能阐明ecDNA富集的癌基因融合驱动肿瘤进展或治疗耐药的机制，将成为开发针对ecDNA阳性癌症、且具有临床可行性策略的关键。

本文的共同通讯作者为斯坦福大学教授Paul S. Mischel，以及原斯坦福大学教授、现任Amgen公司首席科学官Howard Y. Chang。 Paul S. Mischel教授目前领导着由英国癌症研究会发起的国际性大型合作项目“癌症重大挑战”中的eDyNAmiC团队 ， 其 实验室是ecDNA生物学领域的

Nature Genetic

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867425014229

制版人： 十一

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