Nature亮点 | 吴思涵等首次解析肿瘤染色体外DNA的环状结构与功能

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结构决定功能。DNA不仅以碱基序列储存遗传信息，还可以通过改变高级结构，来指导遗传信息的选择性表达。人类的基因组DNA，通过与蛋白质相结合，进而折叠、压缩，形成高级结构，并最终形成23对染色体。这样的高级结构，对细胞执行正常的生理功能而言，是至关重要的。然而，在肿瘤中，这样的高级结构会出现异常，导致基因异常表达——这其中就包括了原癌基因。

通过全基因组测序技术，我们已经大量解析了原癌基因的序列异常，包括扩增、碱基突变、转位等。但是，我们不禁要问一个问题：原癌基因到底存在于什么位置？教科书告诉我们，基因存在于染色体上。但是，假如我们通过测序，发现有100个拷贝的原癌基因在某个染色体区域中扩增，我们是否能说，这100个拷贝的原癌基因，就都位于那条染色体的那个位置上呢？

实际上，在2017年的Nature杂志上，来自美国加州大学圣迭戈分校的Paul Mischel教授团队便指出，肿瘤中大量扩增的原癌基因，其实是以染色体外DNA（extrachromosomal DNA，简称ecDNA）的形式存在的【1】。不过，ecDNA的结构是什么，它具有什么功能，一直缺乏直接的证据。

图：来源于文献【1】

2019年11月21日，Paul Mischel教授团队再一次在Nature杂志上发表了长文文章Circular ecDNA promotes accessible chromatin andhigh oncogene expression，首次解析了ecDNA的结构与功能。

该研究主要有以下4个突破性成果：

1）  ecDNA是环状的；

解析ecDNA的结果，是阐明ecDNA功能的第一步。研究团队首先结合二代全基因组测序和光学匹配（optical mapping），从序列的角度发现，扩增出来的ecDNA形成了环状结构。团队进一步使用影像学的方法，包括扫描电镜、透射电镜、3D结构照明显微镜等方法，获得了环状DNA的清晰图片证据，最终证实了肿瘤中的ecDNA确实是环状的。

图示扫描电镜下的环状ecDNA分子。

2）  ecDNA大量表达癌基因

通过RNA-seq技术并结合SNP分析，研究团队发现，肿瘤中的环状ecDNA也能指导基因的转录。由于ecDNA的拷贝数往往较高（甚至比扩增于染色体的拷贝数更高），且携带癌基因，因此在肿瘤中，主要的癌基因转录本是直接来自于ecDNA的。通常，这些高拷贝的ecDNA，能使得癌基因的转录丰度，上升至整个转录组的前1%。

左图示ecDNA携带基因（红色数据点）在转录组中的丰度，其中原癌基因EGFR的丰度超过1%百分位。右图示基因扩增于染色体（蓝色）与ecDNA（红色）的拷贝数分布，可见ecDNA允许更高的基因拷贝数。

3）  ecDNA的染色质是高度开放的

拷贝数是决定基因表达量的重要因素，但不是唯一因素。DNA的表观遗传修饰以及三维结构，能够决定基因是否表达。研究团队使用了ChIP-seq和免疫荧光技术，证实了ecDNA同样具有染色质结构，由核小体单元构成。同时，ecDNA上含有增强子与启动子的组蛋白修饰（H3K4me1/3，H3K27ac），但却缺乏抑制性组蛋白修饰，如H3K9me3与H3K27me3。通过ATAC-seq，MNase-seq，以及ATAC-see，研究团队进一步发现，ecDNA的染色质是高度开放的，进一步解释了为何ecDNA上的癌基因能够大量表达。

绿色为荧光原位杂交探针信号，指示ecDNA；红色为ATAC-see，指示开放染色质。两项技术相结合，研究团队在单细胞水平，证实ecDNA染色质是高度开放的。

4）  ecDNA的环状结构介导超远距离相互作用

染色质的三维结构，允许DNA元件之间发生相互作用。比如染色质成环，介导了增强子与启动子之间的相互作用，从而推动基因的表达。这种相互作用频率，会随着空间距离的增大而减小。研究团队使用染色质构象捕获及测序技术，PLAC-seq（或者叫Hi-ChIP，一种信息简并的Hi-C技术）和4C-seq，以及CTCF与SMC3的ChIP-seq，证实了ecDNA染色质也能形成三维结构，并且存在拓扑相关结构域。同时，由于ecDNA形成了环状结构，远处的DNA元件，就被带到了近处，从而实现了超远距离的相互作用。而这种超远距离的相互作用，还可能形成了新的基因调控回路。

相比染色体DNA（灰色），环状的ecDNA（红色）可以介导的超远距离相互作用，因后者能将远处的DNA元件给连结到近处。

此外，为了更好地将ecDNA的结构与功能联系起来，研究团队还开发了一种新的基因组数据可视化方式：将环状的ecDNA，以环状图谱的形式展示出来。这有利于理解ecDNA的环状结构如何赋予其独特的功能。

ecDNA环状图谱，将全基因组测序，RNA-seq和ATAC-seq数据整合为一的数据可视化方式。

最后，作者指出，环状的ecDNA在肿瘤中普遍存在，同时由于缺乏着丝粒，导致不遵照孟德尔定律进行遗传。这样的特性，使得ecDNA是驱动肿瘤异质性的重要机制，这将对肿瘤的治疗带来极大的挑战。

据悉，文章的第一作者是来自中国的吴思涵博士。吴博士2014年于中山大学中山医学院取得博士学位后，加入美国加州大学圣迭戈分校Paul Mischel教授团队，从事肿瘤遗传学于代谢研究。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1763-5

制版人：小娴子 

参考文献

1. Extrachromosomal oncogene amplification drivestumour evolution and genetic heterogeneity. Nature,volume 543, pages122–125(2017)