上海
撰文丨易
染色体外DNA（ecDNA）是存在于约17%人类肿瘤中的兆碱基级环形DNA元件，常携带MYC、EGFR等癌基因的高拷贝扩增。由于ecDNA在有丝分裂中随机分配，它同时驱动瘤内异质性、治疗耐药与不良预后。既往研究确立了非同源末端连接与同源重组在ecDNA形成中的作用，但ecDNA在持续的复制应激与转录复制冲突下如何保持结构与拷贝数稳定，长期缺乏答案。识别ecDNA赖以维持的修复通路，既是理解环形基因组演化的问题，也是寻找选择性攻击ecDNA依赖肿瘤的切入点。
近日，美国纪念斯隆·凯特琳癌症中心Agnel Sfeir团队在Nature期刊发表题为MMEJ repair of breaks at TA repeats maintains ecDNA and cancer fitness的研究论文，发现微同源介导的末端连接（MMEJ）而非经典修复通路是ecDNA维持的关键依赖，其脆弱性源于ecDNA上TA重复序列的固有断裂热点，并证明抑制聚合酶θ（Polθ）可选择性清除ecDNA并削弱依赖ecDNA的肿瘤细胞适应性。
研究团队用一对来自同一患者的同源细胞系展开工作：COLO320DM携带MYC ecDNA（跨8号染色体1.58 Mb并含6号与13号染色体来源片段），而COLO320HSR的MYC扩增整合在染色体上。两种Polθ抑制剂分别针对聚合酶结构域与解旋酶结构域，处理7天后，中期荧光原位杂交显示ecDNA拷贝数显著下降，染色体扩增则不受影响，这一结果在前列腺癌、胃癌与结直肠癌等多种ecDNA阳性细胞系中得到重复。为了把维持与形成两个过程分开，团队用Cre重组预先产生ecDNA的神经干细胞模型，在不再形成新ecDNA的条件下给药，ecDNA仍随时间被逐步清除。相比之下，抑制DNA-PKcs或敲低BRCA2都不减少ecDNA，敲除促进Polθ招募的RHINO则同样减少ecDNA，说明ecDNA对MMEJ的依赖特异且非冗余。此外，Polθ抑制诱导的DNA损伤特异定位于ecDNA，并可被转录抑制剂雷公藤甲素或CDK9抑制剂挽救，提示损伤来自ecDNA的高转录活性。
此外，Polθ抑制不破坏ecDNA与染色体的锚定，而是显著增加MYC阳性微核，这些微核不富集着丝粒或端粒信号，说明ecDNA被选择性隔离而非搭染色体错误分离的便车；损伤信号与ecDNA的共定位也经免疫荧光与荧光原位杂交联用直接证实。单独Polθ抑制虽然减少ecDNA却不影响增殖，团队由此推断只有在选择压力下脆弱性才会暴露：与检查点激酶Chk1抑制剂联用可使ecDNA细胞的DNA损伤与生长缺陷显著放大；在依赖DHFR ecDNA扩增耐受甲氨蝶呤的HeLa模型中，Polθ抑制与甲氨蝶呤联合使ecDNA依赖细胞出现显著生长缺陷而染色体扩增对照不受影响；在携带FGFR2 ecDNA的胃癌细胞中，单独无效的亚饱和剂量FGFR抑制剂（6.25 nM）与Polθ抑制联合即足以抑制细胞生长。
为了解释MMEJ依赖的来源，研究团队先用Repair-seq排除全局修复偏好改变：在AAVS1安全港湾位点与MYC位点诱导断裂后，ecDNA阳性与阴性细胞的同源重组、非同源末端连接与MMEJ修复谱没有差异。随后用END-seq全基因组定位双链断裂，发现ecDNA上存在反复出现的内源性断裂，8号染色体扩增子的20个断裂峰中有11个落在至少6个重复单位的TA重复上，而染色体对应区域为零，断裂负荷与TA重复长度正相关，最显著的三个断裂位点恰好落在转录最活跃的MYC至PVT1区域内。机制上，FANCM或SMARCAL1缺失升高DNA损伤且与Polθ抑制叠加，FANCM缺失还降低ecDNA编码基因的表达并加剧损伤与MYC的共定位，而ERCC1或ERCC4缺失挽救Polθ抑制造成的损伤与微核化，转录抑制同样挽救FANCM缺失造成的损伤。END-seq进一步显示，FANCM缺失与Polθ抑制各自独立地增加ecDNA内TA位点的断裂，联合处理产生加成效应；两道防线同时失守时，ecDNA细胞的增殖被选择性损害而染色体扩增对照不受影响。
最后，团队用单细胞全基因组测序追踪ecDNA的结构演化，在长期FANCM缺失（1个月）或Polθ抑制（2个月）后，ecDNA的缺失分布向大片段偏移，FANCM缺失还诱导小于5 kb的小重复，这些重排显著富集于END-seq定位的TA重复脆弱区，提示MMEJ修复本身偏好短片段模板化插入。进一步分析公共数据库中由扩增子重建算法整合的跨癌种数据，发现ecDNA断点显著富集TA重复，而线性局灶扩增断点没有这一特征，将细胞模型中的发现推广到人类肿瘤。
综上所述，这项工作确立了TA重复脆性是环形基因组的内在弱点、MMEJ是ecDNA维持的专门化修复依赖，并把Polθ抑制剂定位为解除ecDNA依赖肿瘤适应性的候选治疗策略。
https://doi.org/10.1038/s41586-026-11048-8
制版人： 十一
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