斯坦福大学三篇论文聚焦ecDNA 对癌症的发展和耐药性至关重要

斯坦福大学医学研究人员及其国际合作者的三篇研究论文改变了科学家对过往被认为无关紧要的环状小DNA的理解——是许多类型人类癌症的主要驱动因素。

这几篇论文同时发表在11月6日的《自然》杂志上，详细介绍了在近15,000种人类癌症中，被称为ecDNA（染色体外DNA）的圆环的患病率和预后影响；强调一种新的遗传模式，它推翻了遗传学的基本规律；并描述一种针对已经在临床试验中的恶性肿瘤的抗癌疗法。

该团队共同被称为eDyNAmiC，是由病理学教授Paul Mischel博士领导的一组国际专家。2022年，Mischel和eDyNAmiC团队从癌症大挑战计划获得了2500万美元的资助，以了解更多关于这些圆环的信息。“癌症大挑战”是由英国癌症研究所和美国国家癌症研究所共同发起的一项研究计划，旨在支持一个由跨学科、世界级的研究团队组成的全球社区，以应对癌症最严峻的挑战。

拥有Fortinet创始人教授职位的Mischel说：“我们正处于对驱动癌症的一种常见的、具有侵略性的机制的全新理解之中。”“每一篇论文都值得注意，它们合在一起代表了我们如何看待癌症的发生和进化的一个主要转折点。”Mischel也是斯坦福大学医学院萨拉芬化学研究所的学者，是这三篇论文的共同资深作者。Howard Chang医学博士和皮肤病学遗传学教授，弗吉尼亚和路德维希癌症研究教授，霍华德休斯医学研究所研究员，是三篇论文中两篇的共同资深作者和第三篇论文的合著者。

这些具有特征的圆环ecDNA，很小，通常在它们的环状DNA上包含一些基因。通常，这些基因是与癌症相关的基因，称为癌基因。当癌细胞含有多个致癌基因编码的ecDNA时，它们可以加速细胞的生长，并允许细胞逃避调节细胞分裂的内部检查点。ecDNA有时也会编码蛋白质基因，这些蛋白质可以抑制免疫系统对癌症发展的反应，从而进一步促进肿瘤的生长。

比以前认为的更普遍

直到最近，人们还认为只有2%的肿瘤含有大量的ecDNA。但在2017年，米歇尔实验室的研究表明，这些小圆圈很普遍，可能在人类癌症中起着关键作用。在2023年，Mischel和Chang进一步证明了它们的存在会在癌前细胞中引发癌变。

在这三篇论文的第一篇（Chang是合著者，Mischel是共同资深作者）中，英国的研究人员以Mischel 2017年的发现为基础，分析了近1.5万名癌症患者和39种肿瘤类型中ecDNA的患病率。他们发现，17.1%的肿瘤含有ecDNA，在靶向治疗或化疗等细胞毒性治疗后，ecDNA更为普遍，而且ecDNA的存在与转移和较差的总生存率有关。

研究人员还表明，这些细胞环不仅可以包含致癌基因和调节免疫反应的基因，还可以只包含被称为增强子的DNA序列，这种DNA序列通过将两个或更多的ecDNA连接在一起来驱动其他细胞环上基因的表达。

“这是一种异端的想法，”Chang说。“带有增强元件的ecDNA本身不会给细胞带来任何好处；它们必须与其他ecDNA合作来刺激癌细胞的生长。如果从传统的角度来看，只编码增强子的ecDNA的存在似乎不是一个问题。但不同类型的圆环之间的团队合作和物理联系实际上对癌症的发展非常重要。”

Mischel说：“这项研究是数据收集和分析的杰作。”“我们了解了哪些癌症患者会受到影响，以及在ecDNA中发现了哪些基因或DNA序列。我们确定了遗传背景和突变特征，为我们提供了癌症起源和发展的线索。”

文章摘要

染色体外DNA （ecDNA）是癌症患者治疗耐药和预后不良的主要因素。在这里，我们研究了癌症中ecDNA元素的多样性，揭示了相关的组织、遗传和突变背景。通过分析来自100,000基因组计划的39种肿瘤类型的14,778例患者的数据，我们证明17.1%的肿瘤样本含有ecDNA。我们揭示了一种模式，高度表明基于组织背景的ecDNA选择，将其基因组内容与其起源组织联系起来。我们表明，ecDNA不仅是驱动癌基因扩增的机制，而且也是经常扩增免疫调节和炎症基因的机制，例如那些调节淋巴细胞介导的免疫和免疫效应过程的基因。此外，携带免疫调节基因的ecDNA与肿瘤T细胞浸润减少有关。我们鉴定出仅携带增强子、启动子和lncRNA元件的ecDNA，这表明在反式中ecDNA之间的相互作用具有组合能力。我们还确定了与ecDNA相关的内在和环境突变过程，包括与其形成（如烟草暴露）和进展（如同源重组修复缺陷）相关的过程。临床上，ecDNA检测与肿瘤分期相关，在靶向治疗和细胞毒性治疗后更为普遍，与转移和较短的总生存期相关。这些结果揭示了为什么ecDNA是一个重要的临床问题，它可以协同驱动肿瘤生长信号，改变转录景观和抑制免疫系统。

Mischel和Chang是第二篇论文的共同资深作者，该论文研究了当癌细胞分裂时，ecDNA环是如何分离成子细胞的。通常，ecDNA 在细胞分裂过程中是随机分离的。结果，一些新细胞可能有许多ecDNA ，而它们的姐妹细胞却没有。这种基因掷骰子的方式增加了几率，至少肿瘤中的一些细胞群拥有正确的ecdna组合，以逃避环境或药物的挑战，并有助于耐药性的发展。

Chang和Mischel以及他们的同事证明了这个概念在某种程度上仍然是正确的。但他们发现，与染色体不同，ecDNA转录——将DNA序列复制成RNA指令，然后用于制造蛋白质的过程——在细胞分裂过程中持续不减。因此，在细胞分裂过程中，串联工作的ecdna保持相互联系，并作为多环单位分离到子细胞中。

染色体遗传理论认为，同一染色体上的基因分离在一起，而不同染色体上的基因独立组合。染色体外DNA（ecDNAs）在癌症中很常见，并通过细胞分裂过程中的随机分离驱动癌基因扩增、基因表达失调和肿瘤内异质性。不同的ecDNA序列，称为ecDNA物种，可以共存，促进癌细胞分子间的合作。肿瘤细胞内的多个ecDNA物种是如何在体细胞世代中分类和维持的尚不清楚。本研究表明，合作的ecDNA物种是通过有丝分裂共分离协调遗传的。成像和单细胞分析表明，编码不同致癌基因的多个ecdna在人类癌细胞中共同出现，并且在拷贝数上相关。在有丝分裂过程中，ecDNA物种是协调不对称分离的，导致在任何选择之前，多个ecDNA物种的子细胞同时获得拷贝数。分子间接近和有丝分裂开始时的主动转录促进了ecDNA物种的协调分离，转录抑制减少了共分离。计算模型揭示了ecDNA共分离和共选择的定量原理，预测了它们在癌细胞中的观察分布。ecDNA的协调遗传使只含有增强子元件的特化ecDNA能够共同扩增，并指导治疗策略共同消耗合作的ecDNA致癌基因。ecDNAs的协调遗传为癌基因合作和新的基因调控回路提供了稳定性，允许获胜的表观遗传状态组合在细胞世代间传递。

“一个巨大的惊喜”

Mischel说：“这颠覆了孟德尔（Gregor Mendel）的基因独立分类规则，即基因与DNA序列之间没有物理联系。”孟德尔是一位生物学家和奥古斯丁修士，他在19世纪60年代对豌豆植物的研究中首次描述了性状是如何遗传的。“这真的令人震惊，是一个巨大的惊喜。”

Chang说：“如果每种类型的环的分离真的是随机的，那么重复遗传特别有利的ecDNA环组合的子细胞应该是罕见的。”“但这项研究表明，我们看到的‘头奖事件’比预期的要多得多。这就像在打扑克中得到一手好牌。被反复处理的癌细胞具有巨大的优势。现在我们明白这是怎么发生的了。”

然而，这些中奖事件凸显了癌细胞的弱点。Chang和Mischel以及eDyNAmiC团队意识到，转录和复制之间存在着内在的紧张关系，这两个过程都是由沿着DNA链移动的蛋白质机制来完成的。当转录和复制机制发生冲突时，这个过程就会停止，细胞就会激活内部检查点来暂停细胞分裂，直到冲突得到解决。

Chang和Mischel是第三篇论文的共同资深作者，他们报告说，阻断一种被称为CHK1的重要检查点蛋白的活性会导致实验室中生长的含有ecDNA的肿瘤细胞死亡，并导致由DNA环驱动的胃肿瘤小鼠的肿瘤消退。

染色体外DNA （ecDNA）是癌症患者面临的一个重大挑战。ecDNA通过促进大量癌基因转录和快速基因组进化，使肿瘤治疗产生耐药性，从而导致患者生存不良。目前，还没有针对ecDNA的治疗方法。在这里，我们表明增强转录-复制冲突能够靶向消除含有ecDNA的癌症。对ecDNA转录的逐步分析表明，与染色体位点相比，普遍存在RNA转录和相关单链DNA，导致过度的转录-复制冲突和复制应激。在含有ecDNA的肿瘤中，无论癌症类型或致癌基因货物如何，核苷酸结合在ecDNA上的速度明显较慢，复制压力明显较高。pRPA2-S33是一种结合单链DNA的DNA损伤修复介质，以转录依赖的方式在ecDNA上显示出升高的定位，同时增加DNA双链断裂，并激活s期检查点激酶CHK1。在含有ecDNA的肿瘤中，基因或药理学抑制CHK1导致广泛和优先的肿瘤细胞死亡。我们推出了一种高选择性、强效和生物可利用的口服CHK1抑制剂BBI-2779，可优先杀死含有ecDNA的肿瘤细胞。在ecDNA上扩增的含有FGFR2的胃癌模型中，BBI-2779抑制肿瘤生长，并阻止ecDNA介导的对pan-FGFR抑制剂infigratinib的获得性耐药，导致小鼠肿瘤有效且持续消退。转录-复制冲突成为了ecDNAa定向治疗的靶标，利用过量的合成致死性来治疗癌症。

Chang说：“这扭转了这些癌细胞的局面。”“它们沉迷于这种过度转录；他们无法阻止自己。我们把这变成了导致他们死亡的弱点。”

目前正在试验中

研究结果很有希望，CHK1抑制剂目前正处于早期临床试验阶段，用于某些类型的癌症患者——这些癌症在ecDNA 有多个致癌基因拷贝。

Mischel说：“这些论文表明，当来自许多不同实验室的研究人员为了一个共同的目标走到一起时，会发生什么。”“科学是一项社会努力，通过多种途径汇集来自不同来源的数据，我们已经证明了这些发现是真实和重要的。”我们将继续探索ecDNA的生物学特性，并利用这些知识为患者及其家属造福。”