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Cancer Cell研究新进展:eccDNA调控癌基因转录

发布时间:2021-04-25 14:12 |  点击次数:

文章导读
EccDNA是一种游离于染色体外的环状DNA分子。它们被发现广泛存在于各种真核生物、各种类型的组织细胞中。近年来研究发现,eccDNA常携带致癌基因,其结构特性有利于使其上的致癌基因高效扩增、高度表达,并且eccDNA可通过在子细胞中的不均匀分配,增强肿瘤的异质性和耐药性,对癌症发生发展和预后产生重要影响。2021年4月8日杰克逊基因医学实验室的课题组在Cancer Cell上发表了eccDNA的新研究成果Oncogenic extrachromosomal DNA functions as mobile enhancers to globally amplify chromosomal transcription,利用ChIA-PET和ChIA-Drop染色质互作分析,在全基因组水平上探究了影响癌症细胞转录过程的eccDNA介导的染色体互作。
研究发现,培养的胶质母细胞瘤患者来源的神经球和前列腺癌细胞中,ecDNAs具有广泛的ecDNA-ecDNA间和ecDNA-染色体间互作。ecDNA-染色体互作位点具有广泛、高水平的H3K27ac信号,主要集中在表达水平增加的染色体基因上。在前列腺癌细胞中加入含有特征增强子的合成ecDNA,导致染色体基因转录的全基因组激活。对ecDNAs的染色体靶点进行单分子分辨率的解析,发现活跃性表达的癌基因在空间上聚集在ecDNA介导的互作网络中。研究表明ecDNAs可以作为移动的转录增强子来促进肿瘤的进展,并显示了一种潜在的合成非整倍体的转录调控机制。

Cancer Cell

发表时间:2021.4.8
发表杂志:Cancer Cell
影响因子:26.602
文章链接:Oncogenic extrachromosomal DNA functions as mobile enhancers to globally amplify chromosomal transcription

 
文章内容
1.EcDNA与基因组染色质具有广泛的互作
研究人员在3株胶质母细胞瘤患者来源的神经球细胞系中进行ChIA-PET分析,其中1株是带有ecEGFR(含有EGFR的ecDNA),1株带有ecMYC:(含有MYC的ecDNA),1株是ecDNA-。染色体互作图谱显示,ecDNA与整个基因组都具有广泛的互作。为了量化染色体区域间互作程度,引入基因组水平反式染色体互作频率(nTIF)的概念。矫正拷贝数带来的影响后,发现ecMYC和ecEGFR的nTIFs显著较高,每一拷贝ecDNA的nTIFs显著高于每一拷贝的染色体的nTIFs,即ecDNA表现出广泛的染色质互作性。利用ChIA-PET来沉淀RNA聚合酶RNAPII相关的染色质,并分析ecDNA相关的染色质互作网络,包括ecDNA-ecDNA间和ecDNA-染色质间互作。ecDNA+细胞中,ecMYC、ecEGFR和ecCDK4的nTIFs显著升高,说明这些细胞系中主要的ecDNA包含这三种癌基因或者它们在分子间非常接近。ecDNA+细胞中,ecDNA区域的nTIFs显著高于染色体;染色体外扩增区域具有显著升高的nTIFs。说明ecDNA-ecDNA间和ecDNA-染色质间都具有广泛的互作。作者又应用ChIP-ChIA-PET分析与RNAPII结合的染色质,发现ecDNA元件与染色体的互作与RNAPII结合具有相关性,表明ecDNA具有重要的转录调控功能。
1.EcDNA与基因组染色质具有广泛的互作

2.ecDNA与基因组染色质互作集中在 H3K27ac信号高的非编码区
为了探究RNAPII参与的ecDNA-染色体互作与转录调控是否具有相关性,作者进行了RNAPII和H3K27ac修饰的ChIP-seq,探究了活性启动子和转录增强子,发现相比于ecDNA-细胞的天然染色质区域的顺式互作,ecDNAs区域的顺式互作频率显著增加5-17倍。这种强烈的顺式染色质相互作用模式是由天然染色体位点、不同ecDNA分子之间的接触以及单个ecDNA内的折叠共同产生的。
2.ecDNA与基因组染色质互作集中在 H3K27ac信号高的非编码区

3.EcDNA富含增强子信号且与高转录活性的基因相关
接着作者研究了ecDNA上的与染色质互作区域,发现在四个ecDNA(+)细胞系中,ecDNA上的大多数接触位点都集中在几个不同的(7-26)位点上,多富集在启动子区域,具有高水平的H3K27ac信号,并与细胞系中H3K27ac峰具有重合性,说明ecDNAs中癌基因的转录进一步被染色质的增强子放大。同样,在ecDNAs中观察到高频率接触位点和H3K27ac峰的同时出现,说明增强子信号在ecDNA-染色质互作位点上富集。进一步分析与染色质互作的ecDNA分子的特征,发现ecDNAs的高频率互作位点上H3K27ac信号显著富集,信号峰的跨度较大,具有超级增强子(SEs)的特征。超级增强子倾向于富集在ecDNAs,而且促进ecDNA-染色质互作。虽然SE位点占ecDNAs总大小的2%-18%,但其介导的ecDNA-染色质互作占31%-73%的比例。此外,启动子与ecDNAs有互作的基因表达水平显著升高,ecDNA互作的基因表达水平与ecDNA-互作频率正相关。
3.EcDNA富含增强子信号且与高转录活性的基因相关

4. ecDNA水平改变造成转录调控异常
为了验证ecDNA对染色体基因表达的调控,作者将人工合成的携带H3K27ac富集区域的ecDNA转染到ecDNA阴性的细胞中, 并进行了RNA-seq,发现造成了57个基因的显著表达上调和2个基因的表达下调。证明ecDNA可用于癌基因扩增,也可作为一种移动的增强子,调控染色体基因的转录激活。另外利用ChIA-Drop实现单分子分辨率水平对染色质互作的复杂性进行解析,揭示出ecDNA SE可能作为结构性平台机制实现癌基因的共聚集,从而实现协同转录共激活,促进肿瘤的发生。
4. ecDNA水平改变造成转录调控异常


云序生物eccDNA测序
eccDNA测序(别名:Circle-Seq﹑环状DNA测序)是eccDNA检测利器,可以高通量地对检测样品中的所有eccDNA,具有检出率高﹑准确性好等优点。云序生物eccDNA测序采用多种方法高效地富集和扩增eccDNA,简述如下:首先,利用A&A Biotechnology离子交换柱(云序生物是A&A Biotechnology品牌全线产品的全国总代理)高效富集基因组DNA中的eccDNA,然后利用核酸酶进一步对富集的eccDNA进行消化除去残余线性DNA。富集纯化后,通过滚环扩增获得大量的eccDNA拷贝,再利用NGS测序高通量地检测样品中所有的环状DNA分子。严谨的实验流程,极大地提高了eccDNA的检出率和检测灵敏度。通过严谨的eccDNA生信流程,实现了对eccDNA准确的识别和详细的基因注释,快速找到癌症、肿瘤等疾病机理研究和诊断的靶向eccDNA。       
云序生物eccDNA测序实验示意图
云序生物eccDNA测序实验示意图
 

云序生物eccDNA测序优势
云序生物是国内zui早提供eccDNA测序服务的公司,云序在2018年已启动了eccDNA测序技术的开发。迄今为止,我们已经完成上千例样品的eccDNA测序,积累了丰富的项目经验,样品类型涵盖:组织﹑细胞﹑血清﹑血浆﹑尿液等,物种涵盖:人﹑小鼠﹑大鼠﹑拟南芥﹑果蝇﹑酵母﹑非洲爪蟾等。
1.云序eccDNA测序数据质控:
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2.提供eccDNA一站式服务的公司
云序是一家提供eccDNA检测和鉴定一站式服务的公司,除了eccDNA测序,云序还可以提供包括eccDNA Outward PCR和Sanger测序在内的一系列eccDNA验证服务。
√ 云序产品1:eccDNA测序
作用:通过NGS测序高通量地检测和识别样品中的所有eccDNA。
√ 云序产品2:eccDNA Outward PCR验证
作用:通过核酸外切酶处理和Outward PCR验证eccDNA的环形结构。
√ 云序产品3:eccDNA Sanger测序
作用:通过金标准的Sanger测序,验证eccDNA特异性的junction位点。
3.专业的生信分析
云序生物对eccDNA进行专业细致的注释,提供eccDNA的染色体信息﹑坐标信息﹑长度信息﹑反式剪切位点信息﹑序列信息﹑对应的基因信息﹑基因的GO条目及KEGG信号通路注释信息等,为后续的研究提供了重要线索和便利。
云序eccDNA生信示例:
1)eccDNA表达和差异分析

eccDNA表达注释 (例子)

2)eccDNA整体统计

  Venn图                       长度分布                     染色体分布
3)eccDNA功能预测
差异eccDNA的GO和KEGG信号通路分析
4.高质量的数据
云序生物严谨的实验流程和专业的数据分析保证了高质量的结果,eccDNA测序数据与Sanger验证结果完美吻合,实测数据示例如下:
4.高质量的数据
eccDNA测序结果验证

 

国自然热点之eccDNA研究思路解析讲座视频:


往期eccDNA主题回顾

斯坦福大学新研究----肿瘤细胞中ecDNA新机制

Nature重磅新星——eccDNA的物种发现史

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10分文章新利器----eccDNA开启2020年科研新热点

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