颠覆性发现：癌基因竟不在染色体上 环状DNA连登Nature，Cell！
发布时间：2020-01-12 11:06 | 点击次数：
文章导读
11月，顶尖国际学术期刊《Nature》和《Cell》相继发表了关于染色体外环状DNA(extrachromosomal circular DNAs，eccDNAs)的重要研究，一时之间，将人们的目光都吸引到这个科研界的新宠儿身上。那eccDNAs究竟是什么呢？为什么能得到如此大的青睐呢？今天小编就带大家一起揭开这个新宠儿的神秘面纱。
大家都知道，DNA位于染色体上，但事实上，染色体外也有DNA，其中有一种特殊的环状DNA，就是小编今天要跟大家讨论的染色体外环状DNA（eccDNA）。其实，这种DNA并不是首次被发现，早在1965年就有关于染色体外DNA的报道，但当时并没有引起科学界重视，认为它只是染色体外无意义的垃圾碎片。近年来研究表明，在大部分人类癌症细胞中eccDNA广泛存在，且它的富集通常会促进癌基因的扩增，从而增加了癌基因的可塑性和不稳定性，因此其对肿瘤细胞的进化可能存在的重要意义，这一发现使eccDNA一跃成为科研界的新宠儿。
接下来小编就带大家一起来解读一下本月发表的两篇重量级期刊上关于eccDNA的研究成果，进一步了解其在癌症发展中扮演的重要角色。
案例一
原文链接：Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression
发表期刊：Nature
影响因子：43.07
发表日期: 20191120
实验方法：环状DNA-seq, RNA-seq（云序生物提供以上服务）
1. ecDNA是环状结构
为了了解ecDNA的结构，作者通过环状DNA-seq（云序生物提供以上服务）方法研究了三种人类癌细胞系和来自于TCGA的临床肿瘤样品。通过这种方法检测到了GBM39细胞中的圆形扩增子游离于染色体之外，并且超高分辨率共聚焦显微镜下能够观察这些扩增子环状结构。
图1 ecDNA是环状结构
2.eccDNA驱动大量癌基因表达
为了研究eccDNA对转录的影响，作者又对样品进行了RNA-seq（云序生物提供此项服务），并将DNA-seq数据与RNA-seq数据进行联合分析。发现eccDNA是癌基因中表达丰度最高的基因之一。作者在DNA-seq和RNA-seq数据中分析了单核苷酸多态性，进一步区分了转录本来源（eccDNA还是原染色体），发现eccDNA编码的转录本大量增加。这些数据说明eccDNA能够驱动癌基因表达。
图2 eccDNA驱动癌基因的高表达
3.eccDNA的染色质具有高度开放性
每个人都携带原癌基因，但是由于人体中DNA会压缩折叠，因此在一般情况下，这些原癌基因是不表达的。该研究发现，在eccDNA上面，染色质的结构是高度开放的，所以这些环状DNA（大部分是原癌基因），几乎都能被顺利转录为mRNA，且大量表达。
图3 eccDNA的染色质是高度开放的
4. eccDNA支持超长距离染色质接触
DNA序列之间会因其折叠而产生相互作用，从而调控基因表达。而这种调控，会随着DNA间的空间距离的增大而降低。但是，eccDNA是环状结构，这会导致原本相距很远的DNA片段，会被连接到一起，从而能够实现超远距离的相互作用和基因调控。这毫无疑问会破坏某些DNA表达调控机制，也有可能导致某些基因的异常表达。
图4 eccDNA支持超长距离染色质接触
案例二
原文链接：Functional Enhancers Shape Extrachromosomal Oncogene Amplifications
发表期刊：Cell
影响因子：36.22
发表日期：20191121
实验方法：环状DNA-seq、Chip-seq、RNA-seq（云序生物提供以上服务）
1.EGFR联合两种增强子在胶质母细胞瘤中高表达
在胶质母细胞瘤中，致癌基因EGFR普遍高表达，当EGFR的拷贝在肿瘤中积累时，它们倾向于形成环状DNA的结构，与染色体分离。作者通过环状DNA-seq（云序生物提供此项服务）发现染色体外环状DNA（eccDNA）中包含致癌基因EGFR，分析发现EGFR周围序列上游存在两个增强子，且共同扩增的增强子在胶质母细胞瘤中非常活跃，可调节EGFR表达，提高细胞适应性。
图1 EGFR联合两种增强子在胶质母细胞瘤中高表达
2.EGFR与邻近增强子共扩增事件存在于eccDNA上
为了了解EGFR增强子在其扩增中的作用，作者选择了9种胶质母细胞瘤细胞培养并扩增EGFR。通过Chip-seq（云序生物提供此项服务）发现，尽管EGFR增强子具有异质性，但两种EGFR增强子元件在9种胶质母细胞瘤中均得到了持续扩增。在胶质母细胞瘤中，作者使用原位杂交技术，证明EGFR基因经常会从染色体脱落而产生eccDNA。
图2 EGFR与邻近增强子共扩增事件存在于eccDNA上
3.染色体外DNA的增强子重排可以调节细胞活力
为了定量分析这些存在于EGFR非扩增和扩增细胞中的互作联系对肿瘤细胞的适应性的意义，作者设计了针对超过100个互作区域的共10000个sgRNA的CRISPRi筛选，在经过21天的筛选期后对sgRNA进行定量可准确地反映相应细胞群体的活性程度。结果发现，包括两个上游邻近增强子在内的多个在扩增后新获得的互作增强子都对EGFR扩增肿瘤细胞活性具有很强的正向效应。上述结果表明，肿瘤细胞中的癌基因通过高级扩增与环化而形成的对自身调控活性的增强，是一个十分有效的促癌机制。
图3 EGFR的增强子重排促进细胞活力
4. 细胞起源增强子与多种肿瘤中的癌基因共同扩增
最后，作者为探究这种现象的普遍性，在多种癌种的样本中做了同样的分析，发现不同实体肿瘤类型中均存在类似的癌基因与增强子显著共扩增的现象。例如，MYCN在神经母细胞瘤和肾母细胞瘤中分别于3’端和5’端的超级增强子发生共扩增，而这些增强子的活性在相应的起源组织中具有最高的活性。
图4 多种癌症中癌基因与增强子共扩增分析
总结
以上研究都表明大量的癌基因并不在染色体上，而是会从染色体上脱落下来，形成eccDNA，它的大量表达与癌症的发生发展息息相关。由于eccDNA在肿瘤中广泛存在，因此，解析其结构与功能，将有助于后续一系列问题的研究，包括eccDNA是如何产生，如何复制，以及如何运动的。只要找到肿瘤维持eccDNA稳态的机制，我们甚至有办法研发出一种通用的抗肿瘤策略，即直接靶向eccDNA进行抗肿瘤治疗，因此关于eccDNA的研究意义重大，而高通量测序是研究eccDNA的一大利器。
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