Nature：是什么让染色体外DNA（ecDNA）成为癌症进化的“秘密武器”？

引言

在癌症治疗领域中，研究人员不断揭示新的机制，以便更好地理解肿瘤如何规避治疗并迅速进化。近年来，染色体外DNA（extrachromosomal DNA, ecDNA）的发现为理解癌症的发生、进展及耐药机制提供了全新视角。ecDNA是存在于癌细胞中的独立于染色体的大型环状DNA分子，其在调控基因表达和维护基因组不稳定性方面具有重要作用。11月6日 Nature “Origins and impact of extrachromosomal DNA”深入探讨了ecDNA在癌症中的起源、特性及其临床意义。

染色体外DNA（ecDNA）的定义与特征

染色体外DNA是一种独立于染色体的环状DNA片段，通常携带关键的致癌基因（oncogenes）及其调控元件（如启动子和增强子）。这些ecDNA能够在癌细胞中通过随机分配进行遗传，这种不受控的遗传模式不同于染色体的稳定遗传方式，从而导致基因拷贝数的高度变化，进而加速癌症的进化与对治疗的抵抗。

在“十万基因组计划”（100,000 Genomes Project）中，研究者对14,778名癌症患者样本进行了分析，发现17.1%的肿瘤样本中存在ecDNA，并且这些ecDNA与肿瘤的组织类型、遗传背景及特定突变模式密切相关。不同癌症类型中ecDNA的检出率存在显著差异，例如，脂肪肉瘤（liposarcoma）中ecDNA的检出率为54.9%，在胶质母细胞瘤（glioblastoma）中为49.1%，而在HER2阳性乳腺癌（HER2+ BRCA）中为46.4%。某些癌症类型，例如低级别少突胶质细胞瘤（oligodendroglioma），几乎没有检测到ecDNA。这些差异反映了ecDNA在不同癌症类型中的频率及其与组织来源之间的关联性。

ecDNA的随机分配特性意味着其数量可以在细胞群体之间存在显著差异，从而为肿瘤提供更大的进化空间和适应性。尤其在治疗压力下，ecDNA的拷贝数变化可显著增加某些致癌基因的表达，帮助癌细胞在不利环境中存活。这种动态变化使得ecDNA成为癌细胞对抗外部干扰的有力工具。例如，MDM2和CDK4基因在脂肪肉瘤中表现出显著的ecDNA扩增，这种扩增与肿瘤的高侵袭性和治疗难度密切相关。

ecDNA在不同癌症类型中的发生频率、与不同基因相关的突变特征及其在不同组织中的特异性分布（Credit: Nature）

图a：展示了用于处理Genomics England（GEL）队列的分析流程，顶部是分析管线，底部为两个GEL患者的FISH（荧光原位杂交）图像和AmpliconArchitect结构变异视图。左侧的例子展示了与FISH图像一致的染色体扩增，而右侧的例子则展示了与FISH图像一致的染色体外DNA（ecDNA）。

图b：柱状图显示了携带致癌基因的ecDNA的发生次数，每个柱子的颜色表示不同组织类型中的病例数。

图c：展示了不同癌症类型中ecDNA的特异性分布。每个子Panel显示特定组织类型中的癌症中ecDNA的发生率，橙色虚线代表整个队列中的ecDNA驱动的扩增中位数，误差条表示95%置信区间。

图d：堆积柱状图显示了在ecDNA上观测到的致癌基因的非同义突变类型的比例（顶部）以及这些非同义突变在不同时间类别中的比例（底部）。仅显示了影响21个最常见致癌基因的突变。

图e：dN/dS分析比较了致癌基因在染色体扩增、ecDNA和无扩增区域中的突变情况。误差条表示使用dNdScv软件包计算的95%置信区间。

染色体外DNA的形成与癌症类型的关联

研究表明，ecDNA的形成与外部环境因素以及基因组内在的突变过程密切相关。例如，烟草暴露与同源重组修复缺陷（homologous recombination repair deficiency, HRD）等突变过程均与ecDNA的形成和肿瘤的进展有密切联系。不同类型的癌症中，ecDNA的分布存在显著差异。例如，脂肪肉瘤的ecDNA检出率为54.9%，而胶质母细胞瘤为49.1%。此外，HER2阳性乳腺癌和上消化道腺癌中ecDNA的检出频率较高，而在某些神经内分泌肿瘤中则相对罕见。

这些差异揭示了癌症类型的组织来源对ecDNA的组成和频率的显著影响。进一步研究显示，ecDNA可以由来自不同染色体的基因片段组成，这种现象在肉瘤和乳腺癌中尤其常见。这表明ecDNA的形成与基因组重排及不稳定性密切相关，可能是癌症进化过程中基因组复杂化的一种表现。

此外，ecDNA的形成还可能受到细胞周期紊乱的影响。在某些癌症中，细胞周期调控机制的缺陷导致DNA在复制过程中产生大量的基因组碎片，这些碎片通过非同源末端连接（NHEJ）等途径形成环状DNA，最终成为ecDNA。研究表明，这种过程在高基因组不稳定性的癌症类型中尤为常见，例如胶质母细胞瘤和卵巢癌。

染色体外DNA的功能和作用机制

ecDNA的存在使得癌细胞在基因组层面具备了更高的异质性和灵活性，这为肿瘤的进化提供了显著的选择优势。首先，ecDNA中的致癌基因拷贝数通常远高于染色体上的拷贝数，这意味着这些基因的表达量显著增加，从而大幅增强致癌信号。例如，FGFR2、MDM2和CDK4等基因在ecDNA中的扩增远高于它们在染色体中的水平。

其次，ecDNA的环状结构使其能够在细胞核内形成“基因组中心”，通过与其他基因调控元件的相互作用，增强致癌基因的转录活性。这些“基因组中心”可以介导增强子（enhancer）与启动子（promoter）之间的远距离相互作用，从而大幅增加基因表达的复杂性和调控能力。

这一机制尤其在某些高度依赖特定信号通路的癌症中显得尤为重要。例如，在胶质母细胞瘤中，ecDNA携带的EGFR基因通过与多个增强子区域的互作，显著增加了EGFR的表达水平。这种表达的增加直接与癌细胞的增殖速度及侵袭能力相关，使得肿瘤具有更强的恶性特征。

除致癌基因扩增外，ecDNA还经常携带与免疫系统相关的调控基因。这些免疫调节基因的扩增可能会抑制肿瘤微环境中的T细胞浸润，使得携带这些基因的肿瘤更加难以被免疫系统识别和消除。在一项分析中，携带免疫调节基因的ecDNA与较低的肿瘤T细胞比例相关，这表明这些基因可能通过免疫抑制机制帮助癌细胞逃避免疫监视。

此外，ecDNA可以促进肿瘤异质性。由于ecDNA在细胞分裂时随机分配，这种不对称的分布导致肿瘤内部的基因表达呈现出显著的差异性，从而增加了肿瘤的异质性。这种异质性为肿瘤在面对不同治疗策略时提供了多种适应路径，使得部分细胞群体能够在治疗压力下存活并继续扩展。

临床意义：ecDNA对癌症治疗的影响

ecDNA的存在与癌症的恶性程度及不良预后密切相关。研究表明，携带ecDNA的肿瘤通常处于更高的分期（如IV期），且更容易发生远处转移。此外，ecDNA的存在与化疗和靶向治疗后的耐药性增加显著相关，表明ecDNA可能通过快速基因组重排来促进肿瘤对治疗的抵抗。

对于接受化疗或靶向治疗的患者，ecDNA的检测率显著升高，这提示ecDNA可能是癌细胞应对治疗压力的一种重要适应机制。在一项针对胶质母细胞瘤患者的研究中，研究者发现，在接受TMZ（temozolomide）治疗后，某些携带EGFR突变的ecDNA显著增加，并且这些突变与治疗后产生的高突变频率相关。这表明抗癌药物可能通过诱导基因突变加速ecDNA的进化，使癌细胞更具侵袭性和治疗抵抗性。

此外，ecDNA的存在还可能对免疫治疗的效果产生影响。携带ecDNA的肿瘤细胞通过扩增免疫抑制基因，降低了T细胞和其他免疫细胞的活性，从而削弱了免疫治疗的效果。在某些情况下，肿瘤中的ecDNA数量越多，患者对免疫检查点抑制剂的反应越差，这进一步凸显了ecDNA在肿瘤免疫逃逸中的作用。

染色体外DNA的未来研究方向和治疗策略

ecDNA在癌症中的关键作用使其成为一个具有重要潜力的治疗靶点。由于ecDNA独立于染色体，其在细胞分裂中的随机分配导致基因组的不稳定性，这一特性使得ecDNA成为靶向治疗的理想候选对象。未来的研究可能会集中于开发能够特异性识别和降解ecDNA的药物，或者干扰ecDNA形成和维持的关键分子机制。

目前，一些研究正在探索通过抑制ecDNA复制或干扰其在细胞中的分配来阻止癌细胞的生长。例如，靶向ecDNA复制的药物可能会导致ecDNA无法维持其在细胞中的拷贝数，从而降低致癌基因的表达水平。此外，研究人员还在探索是否可以通过增强细胞的DNA修复能力来减少ecDNA的形成，从而减少其对癌细胞进化的贡献。

此外，理解ecDNA的形成和进化过程对于制定个性化的癌症治疗方案至关重要。例如，对于一些高频率携带ecDNA的癌症类型，ecDNA可能作为预测患者预后的生物标志物，从而帮助临床医生制定更加精确的治疗策略。通过监测ecDNA的变化，医生可以更好地判断治疗效果，并在必要时调整治疗方案，以应对癌细胞的进化和耐药性。

参考文献

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