《自然》刷新认知：不止是加速癌细胞生长！这种奇怪的DNA，比想象中更危险

▎药明康德内容团队编辑  

我们知道，作为遗传信息的携带者，DNA通常都是被压缩在染色体中的——只有这样，才能将拉直后有2米长的DNA封装进一枚小小的细胞内。但在最近几年，科学界发现了一类奇特而危险的染色体外DNA（extrachromosomal DNA, ecDNA），它们几乎只在癌细胞中出现，加速癌症的发展。

今日，发表于《自然》杂志的一篇论文发现，这些ecDNA之前认为的还要可怕！它们不仅是推动癌症发展的隐藏力量，还会先于癌细胞出现，驱使那些尚没有癌变的组织走向深渊。

“这项研究对我们理解肿瘤发展中的ecDNA具有深远影响，”这项研究的领导者，斯坦福大学病理学教授Paul Mischel说，“它展示了ecDNA作为癌症基本过程的力量和多样性。这项研究对于癌前病变的早期诊断具有影响，并强调了随着治疗的发展而进行早期干预的潜力。”

2014年，科学家在癌细胞中发现了这种独立于染色体存在的环状DNA。相比于正常的DNA，ecDNA更容易开启转录和表达程序。要命的是，后续研究发现ecDNA携带了大量致癌基因，帮助肿瘤更快地发展。癌细胞甚至还会从基因组中到处抓取致癌基因的增强子，把它们汇集在ecDNA中。可以说，癌细胞集全细胞之力来满足自己的野蛮生长，而ecDNA就是一道开启这种力量的开关。

在这些研究中，都是先有癌细胞，再有ecDNA；而在人类的正常组织里，基本上不会有ecDNA出现。而最新研究想要探索的是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：ecDNA究竟是肿瘤基因组不稳定性的产物，还是反过来推动了癌前阶段向癌症的转变？

图片来源：123RF

为此，最新研究选取了食管腺癌（EAC）的发展过程作为研究对象。食管腺癌是一类高度致命的恶性肿瘤，其主要病因是胃食管反流引起的食管炎症。当然，食管腺癌并不是一蹴而就的，胃食管反流首先可以导致一种名为巴雷特（Barrett）食管的癌前病变，这时胃肠道的柱状上皮细胞取代了食管的上皮细胞。

当然，巴雷特食管的出现仅仅是有了发展为食管腺癌的可能性。之后，其中少数人的巴雷特食管会进一步发展，那些柱状上皮细胞出现增生，先后进入轻度和高度异型增生（dysplasia）阶段。这时，癌变的风险逐渐逼近。在高度异型增生这个癌前病变阶段，细胞里已经有了大量遗传变异与结构异常，例如抑癌基因TP53的丢失，以及基因组复制、染色体碎裂等染色体变化。

▲食管腺癌的演变阶段，以及不同阶段的基因组变化（图片来源：参考资料[2]）

最终，相当一部分高度异型增生会转变为食管腺癌。但癌变的最后一步是如何发生的？ 

研究团队首先对206人进行了全基因组测序，这些人分别处于上述癌变过程的某一个时间节点：可能是巴雷特食管，轻度异型增生，高度异型增生，或者是食管腺癌（早期或晚期）。结果，在巴雷特食管和轻度异型增生阶段，都没有检测到ecDNA。但在高度异型增生阶段，4%的人携带了ecDNA。也就是说，在癌变之前，这种危险因素就已经出现了！而在食管腺癌早期及晚期，携带ecDNA的比例依次增长到了24%和43%，说明ecDNA在癌症进程中逐渐形成。

此外，研究团队还另外选取了80位有巴雷特食管的患者（这些人中有一半最终患上食管腺癌），对他们在两个不同的时间节点分别做了全基因组测序。这样的动态分析能够清晰地展现，对于不同结局的个体，不同阶段的ecDNA是如何演变的。

结果，在最终患癌的个体中，有20%在癌前样本中检测到了ecDNA；相反，没有发展为食管腺癌的个体里，这一比例只有2.5%。由此，这项分析揭示了癌前ecDNA与食管腺癌之间的强相关性。携带了ecDNA的人，患癌的风险大幅升高

▲研究揭示了ecDNA与细胞恶性转变之间的关联（图片来源：参考资料[1]）

此外，研究还发现ecDNA在TP53突变之后出现，但独立于全基因组复制、染色体碎裂等染色体变化。如果前后两次检测时，细胞状态相近，那么ecDNA的拷贝数也不会有明显增长；相反，当细胞的异常逐渐积累，ecDNA的拷贝数和结构复杂性都会随之增长。

对所有志愿者的分析还发现，31%的人拥有不止一种ecDNA，而三分之一的ecDNA包含不止一种致癌基因。除了致癌基因，一些ecDNA还含有免疫调控基因，促进这些细胞的免疫逃逸。这些结果共同表明，在从癌前病变到癌症的转变过程中，ecDNA扮演了相当积极的角色。

需要指出的是，这些结论主要是基于相关性的证据得出的，但这项涵盖了食管腺癌癌变全过程的研究仍然让我们对ecDNA产生了全新的认知。这项研究证实了ecDNA可以出现在癌前组织中，并且为从巴雷特食管到癌症的转变提供强大的选择优势。ecDNA扮演的独特角色，也为对携带ecDNA的患者进行早期干预或治疗提供了可能性。

“我们希望进一步理解ecDNA在癌前病变中的图景及其带来的风险，”Mischel教授说，“我们还想知道，我们能否阻止ecDNA的形成或活动、如何提高检测ecDNA的能力，理解它们如何影响免疫系统以及是否可能有新的疗法。还有很多东西需要学习，但我们可以肯定的是，这些微小的环状DNA在癌症中非常重要。”

参考资料：

[1] J. Luebeck et al. Extrachromosomal DNA in the cancerous transformation of Barrett’s oesophagus. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05937-5

[2] Extrachromosomal DNA appears before cancer. Retrieved Apr 12th, from https://doi.org/10.1038/d41586-023-00982-6

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