Nat Cell Biol | 吴思涵团队揭示ecDNA在细胞有丝分裂中的分离机制

染色体外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）是一类于肿瘤中携带癌基因的环状DNA分子。近年研究表明，ecDNA驱动肿瘤的发生和进展，与耐药及不良预后密切相关。ecDNA不仅利用其开放染色质与高拷贝数放大癌基因表达，而且其独特的、非孟德尔遗传方式能不断推动肿瘤异质性，从而加速肿瘤进化。由于ecDNA缺乏着丝粒，它无法像染色体一样依靠纺锤丝实现精准的1∶1分配。每一轮有丝分裂，不同肿瘤子细胞随机继承不等量的ecDNA。肿瘤正是借助如细菌质粒一般的遗传方式，持续塑造肿瘤细胞群体的异质性，使肿瘤能够更快适应微环境变化和治疗压力，最终促进恶性进展和耐药性。

1. 揭开横跨半世纪的谜团

既然ecDNA没有着丝粒，它究竟是如何在有丝分裂中稳定遗传的？早在20世纪70年代，研究者便发现ecDNA在有丝分裂期间始终黏附于染色体表面。近年来，活细胞成像技术提供了更直观的证据：核膜解体，染色体浓缩，而ecDNA依附于染色体运动，并随其共同进入子代细胞的细胞核。

这种与染色体“同行”的策略具有双重意义。一方面，ecDNA通过随机附着于不同染色体，实现了自身的不对称分离，从而推动ecDNA拷贝数的异质性；另一方面，它也借助染色体顺利进入新形成的细胞核，避免暴露于细胞质环境中，进而逃避自噬系统，核酸酶，以及固有免疫监视机制的识别和清除。

然而其中的具体机制却仍不明确：究竟是哪些分子介导了ecDNA与染色体之间的结合？

2026年6月24日，美国德克萨斯大学西南医学中心Children’s Research Institute的吴思涵团队在Nature Cell Biology发表题为Cisandtransregulatory mechanisms of ecDNA segregation的研究论文。该论文综合使用高分辨率成像以及多组学测序技术，揭示了ecDNA在细胞有丝分裂中的分离机制，为靶向ecDNA驱动的癌症提供了新思路。

2. ecDNA的黏附机制

裸露的DNA双链分子间难以稳定互作，因DNA的磷酸骨架携带负电荷，从而导致静电排斥。因此，ecDNA必然依赖于其他分子克服电荷排斥从而依附于染色体。研究者首先提出假设：是否由组蛋白上的表观遗传修饰中和了负电荷？

利用HiC，研究者发现，在有丝分裂间期，ecDNA与染色体广泛互作；而当进入有丝分裂期，由于染色体浓缩，互作位点数量急剧减少。通过和ChIP-seq进行整合分析发现，ecDNA在浓缩染色体上的黏附位点显著富集H3K27ac。使用H3K27ac的抑制剂，或者RNAi敲低CBP/P300，均能解离附着于染色体上的ecDNA。

然而，赖氨酸的乙酰化并不足以中和电荷。因此，研究者提出，必然有能识别H3K27ac的蛋白，将ecDNA和染色体桥接起来。

溴结构域蛋白（Bromodomain proteins）特异性识别并结合组蛋白上的乙酰化赖氨酸残基。此前有报道称，BET家族抑制剂JQ1可以解离ecDNA（PMID: 40614723）。然而，本研究却发现，该效应完全取决于抑制剂的处理时机。人类蛋白组中存在数十种溴结构域蛋白，其中BET与SWI/SNF家族在ecDNA阳性的细胞中表达较高。在有丝分裂间期抑制BET家族，SWI/SNF便可在有丝分裂中代偿，反之亦然。因此，ecDNA可以通过多种溴结构域蛋白与染色体产生互作，从而遗传到子细胞中。

已知H3K27ac与溴结构域蛋白介导染色质互作，通过招募Mediator复合体（转录共激活因子）以及RNA聚合酶Ⅱ，形成增强子-启动子环路，从而促进基因转录。这一认知启发研究者提出了新假说：在间期介导染色质互作的转录机器，是否在有丝分裂期间继续充当分子桥梁，维持ecDNA与染色体的结合？为了验证这一假说，研究者利用小分子抑制剂和RNAi靶向抑制Mediator复合体和RNA聚合酶Ⅱ，成功将ecDNA从浓缩染色体上剥离。这些结果表明，ecDNA“绑架”了经典的转录机器与染色体互作，从而遗传到子细胞。

此外，该研究还通过CRISPRi以及构建质粒模拟ecDNA的方式，鉴定了在ecDNA上介导遗传的序列，正是H3K27ac，溴结构域蛋白以及RNA聚合酶Ⅱ的结合位点，充分鉴定了ecDNA遗传的顺式与反式调控机制。

3. 挑战前人结论：ecDNA的转录失活

ecDNA利用转录机器遗传，是否意味着ecDNA在有丝分裂期间仍然保持活跃转录？近年连续两篇研究论文称，ecDNA在有丝分裂期间仍保持转录活性，而且是分配到子细胞的重要机制（PMIDs: 40614723，39506152）。这两份研究均发现，在有丝分裂的细胞中可以用内含子RNA FISH检测到ecDNA的转录本，而使用转录抑制剂（如雷公藤内酯triptolide），则可破坏ecDNA的遗传，特别是能剥离浓缩染色体上的ecDNA。

然而，本研究的结果却挑战了这一观点。利用5-EU标记新生RNA，研究者发现，在有丝分裂间期，ecDNA与5-EU信号高度共定位，表明其具有旺盛的转录活性；然而进入有丝分裂后，ecDNA上的5-EU信号几乎完全消失，提示其转录活动基本停止。进一步使用ChIP-seq发现，在间期，RNA聚合酶Ⅱ广泛分布于ecDNA基因的转录起始与终止位点之间，提示活跃转录，与5-EU成像结果一致；而进入有丝分裂后，RNA聚合酶Ⅱ几乎完全从基因体脱离，仅滞留在转录起始位点附近。与此同时，代表转录活性的磷酸化RNA聚合酶Ⅱ以及Mediator的结合信号也几乎完全消失。这些结果表明，进入有丝分裂后，ecDNA的转录程序沉默，而此前报道的内含子RNA FISH信号可能来自于间期转录的、尚未在分裂期剪接的RNA。

然而，这也带来了一个新的疑问：如果转录已经停止，为何抑制RNA聚合酶II仍会导致ecDNA从染色体上脱落？研究者意识到，许多常用的转录抑制剂不仅能够抑制RNA聚合酶的活性，还会诱导RNA聚合酶从染色质上解离甚至降解。于是，一个新假说浮现：真正介导ecDNA遗传的，是否为沉默的RNA聚合酶？

为了验证这一假说，研究者进一步采用CDK9抑制剂选择性阻断RNA聚合酶Ⅱ的转录延伸，而不将其降解。结果发现，与此前使用的通用转录抑制剂不同，CDK9抑制剂并不会导致ecDNA从有丝分裂染色体上脱落。这说明，介导ecDNA与浓缩分裂染色体结合的是处于沉默状态的转录机器。

4. 脱落的ecDNA被逐渐清除

研究者发现，部分从染色体脱落的ecDNA并未重新进入细胞核，而是滞留于细胞质中。定量PCR检测显示，ecDNA携带的癌基因拷贝数随处理时间增长而逐渐下降，提示这些胞质中的ecDNA很可能被细胞识别并降解。随着ecDNA的清除，癌基因编码蛋白表达降低，最终逆转了肿瘤细胞对药物的耐受性。这些结果表明，靶向ecDNA分离并促进其胞质清除，不仅能够有效消除驱动癌症发生发展的ecDNA，还具有逆转肿瘤耐药的潜在应用价值。

美国得州西南医学中心吴思涵课题组谢依朋（2022级博士生）为该论文第一作者，Yoon Jung Kim博士与吴思涵教授为该论文共同通讯作者。

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03186-1

制版人： 十一

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