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染色体外DNA（ecDNA），对很多人来说，这可能是个陌生的概念。但今日发表在《自然》杂志的三篇重磅论文，让我们意识到，ecDNA在肿瘤发生发展中占有举足轻重的地位。
由斯坦福大学Paul Mischel领衔，斯坦福张元豪（Howard Chang）、英国伦敦大学学院、弗朗西斯·克里克研究所等多国科研团队组成的eDyNAmiC小组是研究成果的共同创作者。
三篇论文指出，ecDNA在人类癌症中的影响远比我们此前认为的更深。它在多癌种中有广泛的分布、流行率比既往认知的高得多；ecDNA通过丰富的机制促进癌症发展，且它们具有一种“推翻遗传学基本定律的新型遗传模式”；最后，研究者们也发现了ecDNA的“弱点”，并找到了一种以ecDNA为靶点的抗癌药物。
ecDNA是一组游离于染色体外的环状DNA分子，虽然发现得并不算晚，但直到近年才引起学界关注。2013年，Paul Mischel团队在《科学》杂志发文，指出ecDNA与癌症和靶向治疗耐药有关；2017年，该团队又在《自然》杂志发文，对17个人类癌种进行了分析，发现近半存在ecDNA，同时正常细胞中几乎不存在ecDNA。
一系列研究发现，ecDNA具有丰富的促癌机制。ecDNA是人类癌症中扩增癌基因的常见来源，它的染色质高度可及和环状结构导致了高水平的转录，非染色体遗传特性加速了基因组改变，使得ecDNA在肿瘤的发生、发展、耐药等多个阶段都有所“发挥”。
第一篇论文在Paul Mischel团队2017年研究的基础上更进一步，研究者们对39个癌种14778名患者的数据进行了分析，发现其中17.1%样本存在ecDNA，这个比例比之前普遍认为的2%要高得多。
参照临床数据可以发现，ecDNA与肿瘤分期显著相关，在靶向治疗和细胞毒性治疗后更常见，且与癌症转移和较短的总生存期有关。
对ecDNA的内容进行分析，研究者有了有趣的发现。ecDNA不仅仅包括直接驱动癌症的基因，也很常见与免疫调节和炎症相关的基因。
ecDNA与癌种有一定关系
值得注意的是，研究者还发现了仅仅携带增强子、启动子和IncRNA元件的ecDNA。这个发现让论文作者都很吃惊，因为单独的增强子、启动子是没有任何用处的，这意味着ecDNA们可以连接在一起发挥作用。
成双成对的ecDNA显然会具有更大的威胁，不过好在，它们并不具有着丝粒，在细胞有丝分裂时，理论上会随机分布到子代细胞，强强组合不一定能够留存……是这样吗？
实际情况又让人大跌眼镜。在第二篇论文中，研究者们发现了ecDNA的一种全新遗传模式，可以“打配合”的ecDNA，在有丝分裂中也会选择“抱团”遗传。
研究者首先分析了1513例来自TCGA的WGS测序数据，发现有289例具有ecDNA，其中超过25%同时含有2种及以上ecDNA，并有一些常见的组合，如胶质母细胞瘤中的CCND2、EGFR和MDM4，以及尿路上皮膀胱癌中的MYC和KRAS。
奇怪的是，虽然研究者确认了ecDNA们并不会共价连接到一起，但这些常见的ecDNA组合们拷贝数却有着明显的相关性，经常成对出现，根本不可能是随机分离到子细胞能够解释的。
通过活细胞成像和荧光标记观察了整个有丝分裂过程，研究者发现，很多时候ecDNA们会通过ecDNA中心（ecDNA hubs）保持一个整体状态，以便最终分配到同一个子细胞中。
分裂过程中可见ecDNA聚集
这个ecDNA中心是啥呢？
2021年，张元豪团队在《自然》发表论文，研究者们发现，细胞核中存在10-100个ecDNA组成的ecDNA中心，这可以驱动分子间的增强子-基因相互作用，促进癌基因过表达。
既然ecDNA中心与转录有关，研究者测试了几种转录抑制剂对ecDNA遗传的影响，发现在有丝分裂前期或间期抑制转录就可以破坏ecDNA的共分离现象。
这篇论文中还建立了ecDNA共分离的预测模型，并讨论了共分离ecDNA的药理学对策，不作详细介绍了。
让我们回到ecDNA的转录上。
ecDNA的各种特性让它具有了非常强的转录特性，而这也最终成为了带它走向灭亡的阿喀琉斯之踵。
第三篇论文讨论了ecDNA增强的转录与复制之间存在的冲突，并寻找到了可针对的靶点。
ecDNA转录实属猖獗。研究者对照分析了来自同一患者的ecDAN MYC和染色质MYC的转录水平，发现前者是后者的近4倍。
但这对细胞很难说是一件好事。ecDNA的大量转录更容易导致转录-复制冲突，使得细胞出现更多复制应激（RS），停滞的复制叉不稳定易断裂，致使出现内源性DNA损伤。
研究者猜测，含有ecDNA的癌细胞很可能高度依赖RS调节机制以避免DNA损伤水平过高。
在正常的生理环境下，细胞存在一系列级联反应，避免复制叉停滞、DNA未完全复制就开始有丝分裂，这一通路的中心节点就是检查点激酶1（CHK1）。
作用机制
研究者认为，ecDNA癌细胞必然指望CHK1来管理DNA损伤，CHK1抑制剂很有可能触发ecDNA癌细胞死亡。
这里研究者测试了口服小分子CHK1抑制剂BBI-2779，它的IC50约为0.3nM，3nM可诱导癌细胞RS。
在FGFR2扩增的SNU16胃癌异种移植模型中，BBI-2779与FGFR抑制剂infigratinib都能有效抑制肿瘤生长，用药25天的抑制率分别达到64%和97%。
infigratinib长期用药后产生了获得性耐药，联合使用BBI-2779则能有效避免耐药的产生，获得持久、强劲的抗肿瘤效果。
BBI-2779可避免耐药的产生
目前，CHK1抑制剂已经开始了早期临床的尝试，用于治疗具有多个癌基因ecDNA拷贝的癌症患者。或许我们很快会看到一颗抗癌新星的冉冉升起。
参考资料：
[1]Bailey, C., Pich, O., Thol, K. et al. Origins and impact of extrachromosomal DNA. Nature 635, 193–200 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08107-3
[2]Hung, K.L., Jones, M.G., Wong, I.TL. et al. Coordinated inheritance of extrachromosomal DNAs in cancer cells. Nature 635, 201–209 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07861-8
[3]Tang, J., Weiser, N.E., Wang, G. et al. Enhancing transcription–replication conflict targets ecDNA-positive cancers. Nature 635, 210–218 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07802-5
[4]https://med.stanford.edu/news/all-news/2024/11/ecdna-cancer.html
本文作者 | 代丝雨
