环状的ecDNA也存在于胶质母细胞瘤中 可导致癌症恶变

[所属分类:新闻动态] [发布时间:2019-11-22] [发布人:] [阅读次数:] [返回]

山东拓普生物工程有限公司

Shandong Tuopu Biol-Engineering Co.,Ltd

近日发表了关于ecDNA的重要研究。这一次，主导这项研究的科学家来自UCSD与凯斯西储大学（Case Western Reserve University）。他们发现，在胶质母细胞瘤这种恶性脑瘤里，同样存在环状的ecDNA。它上头不仅有促进癌症发展的EGFR基因，还有许多增强它的序列。更令人惊讶的是，有些序列原本并不在EGFR基因的周围。它们更像是被癌细胞从基因组的各个地方“抽调”出来，专门用来强化致癌基因！

在人类肿瘤细胞中发现大量如“甜甜圈”般的环状染色体外DNA（EcDNA），改变了与癌症相关基因的表达方式，从而促进了癌细胞的侵袭性，并在肿瘤快速进化和抵御威胁的能力（如化疗、放疗和其他治疗）中发挥了关键作用。

Paul S.Mischel说：“这是一个范式转变。癌症ecDNA的形状不同于正常的DNA，这对我们理解癌症生物学和临床影响都具有非常重要的意义。

人类DNA通常形成长而扭曲的双螺旋结构，其中大约30亿个碱基对组成了23对染色体，并奇迹般地挤进每个平均直径只有6微米的细胞核中。一个细胞核内的所有DNA首尾相连，展开后大约能达到6英尺（1.8米），一个人体内的所有DNA加起来的长度超过了70亿英尺，大约是太阳系直径的两倍。

在人类和其他真核生物中，正常的DNA被紧紧包裹在称为组蛋白八聚体的蛋白质复合物簇中形成细胞核。为了读取DNA的遗传指令，细胞依靠酶和复杂的机械来切割和移动碎片，一次只能读取一部分，就像是阅读一个半开的卷轴。

但该研究团队报告说，癌细胞与细菌具有一些相似之处，因为细菌含有通常更易获取的环状DNA。为了研究ecDNA的形状如何影响其功能，研究团队开发了一种基于地形学的致癌染色体外DNA圆形图谱。他们发现，癌症中的环状ecDNA虽然缠绕在蛋白质核心周围，但具有高度的可获取性，这为遗传信息的快速转录和表达提供了更多的接入点。这一特性使肿瘤细胞产生大量促进生长的致癌基因，它们更快速地进化，并对其变化的环境和潜在威胁作出更有力的反应。

Mischel说：“通过证明ecDNA是环状的，然后阐明其表观遗传组织，我们证明了一些非常强大的东西。人类癌细胞的这种独特形状与正常的人类DNA非常不同。它确实为扭曲的癌症基因组和表观基因组的三维组织带来了新的曙光，这为理解为什么某些肿瘤细胞如此具有侵袭性提供了结构基础。”

这项新研究是建立在2017年该团队发表的研究，该研究表明，编码癌基因的环状DNA短片段比以前认为的要普遍得多：在近一半的人类癌症中都有发现，但在正常细胞中很少，因此可能在肿瘤进化和抵抗化疗等方面发挥作用。

通常，染色体外的DNA被认为是罕见的，但在2014年的一篇论文中Mischel及其同事发现，ecDNA通过使肿瘤迅速改变其所含癌基因的数量，在某些脑癌耐药性中发挥着核心作用，而且还能决定一个细胞是否会转变为癌细胞。这一发现令癌症生物学家感到惊讶，他们长期以来一直将重点更多地放在了哪些基因促进癌症上，而不是这些基因位于何处。

这项最新的发现戏剧性地强调了癌细胞不像真核细胞那样遵循相同的生物学规则：它们不是通过分裂成遗传上相同的子细胞（这一过程称为有丝分裂，所有真核生物都是这样分裂成成对染色体）来将DNA传递给后代，而是类似于细菌，通过将ecDNA看似随机地分配给子细胞，从而提供了一种机制，通过这种机制，某些子细胞可以在一个细胞分裂中获得多个癌症拷贝。这是一个截然不同的遗传过程，可以实现更快的进化和遗传改变。

在这项研究中，研究团队采用了一系列先进的技术，如超微结构电子显微镜、远程光学绘图和全基因组测序的计算分析。

Vineet Bafna博士说：“我们使用了大量定制的序列分析工具，包括使用全基因组测序和光学图谱重建ecDNA结构，并将这些重建的结构用作框架来分层表观遗传数据，并分析染色体内和染色体外DNA之间的差异。”

这个研究是怎么做的呢？这还要从致癌基因说起。很久以前，科学家们就注意到，癌细胞里的致癌基因会出现拷贝数的上升。有时候，数量出现异常增加的不仅仅是编码的序列，还有一些非编码的DNA。这些非编码DNA在癌细胞里的作用，则一直是个谜团。

在这项研究中，这些科学家们决定一探这些非编码DNA的究竟，而他们的研究对象是胶质母细胞瘤。在这种极为危险的脑瘤里，我们往往能观察到EGFR基因的过度活跃。而当肿瘤里具有大量EGFR基因的拷贝时，这些致癌基因就会倾向于形成环状的ecDNA结构。顾名思义，这是一种独立于染色体所存在的DNA，看起来像是细菌里的质粒DNA。

在这种环状DNA上，并不是只有EGFR基因的存在。相反，在一些肿瘤样本里，他们发现在EGFR基因的附近，还有许多增强子序列，或是其他的调控元件。其中一些调控元件在基因组里的原本位置就离EGFR很近，这还容易理解。但让人细思恐极的是，另外一些调控元件，看起来是从基因组里不相干的地方抓取过来的！

为了了解这些调控元件的功能，科学家们利用CRISPR基因编辑技术，挨个对它们进行了沉默。而研究的结果不令人乐观——几乎每一个调控元件，都会促进肿瘤的生长。

“这看起来就好像致癌基因会从基因组里的各个地方抓取‘开关’，让自己的表达最大化。”本研究的通讯作者之一Peter Scacheri教授说道。

随后，科学家们发现，这样的现象并不仅限于EGFR基因，也不仅出现在胶质母细胞瘤里。通过查阅公共的肿瘤遗传学数据库，在多种癌症类型中，都存在类似的现象。其中最为常见的是髓母细胞瘤里的MYC基因，以及神经母细胞瘤里的MYCN基因。

而且，即便两类肿瘤是由同样的致癌基因所驱动，这些致癌基因背后的调控元件也很有可能不一样。为此，研究人员们指出，过去我们过多将注意力放在了致癌基因本身，而忽略了致癌基因的增强子。未来，我们应当把癌症治疗的目光放得更广。在靶向致癌基因的同时，也需要考虑如何关闭启动这些致癌基因的开关。

“这不仅仅是实验室里观察到的现象，而是真正能给患者带来更多帮助的信息。”另一位通讯作者Jeremy N. Rich教授说道。