再登Nature Genetics-ecDNA與致ai基因擴(kuò)增及多種ai癥不良預(yù)后相關(guān)

文章導(dǎo)讀
研究發(fā)現(xiàn)，許多擴(kuò)增的原ai基因，并不只是位于染色體，而且還能變成游離的染色體外DNA（ecDNA），并出現(xiàn)大量拷貝，而且相當(dāng)高比例的ecDNA是以環(huán)狀DNA分子的形式存在，即eccDNA（染色體外環(huán)狀DNA）。由于ecDNA不存在著絲粒，所以在細(xì)胞有絲分裂時(shí)，無(wú)法被均等地分配到兩個(gè)母細(xì)胞中，這就導(dǎo)致ecDNA的拷貝數(shù)會(huì)隨著細(xì)胞代數(shù)的增加而呈現(xiàn)巨大的異質(zhì)性，從而驅(qū)動(dòng)腫 瘤演化過(guò)程，但是關(guān)于ecDNA發(fā)生頻率和臨床影響尚不清楚。
2020年8月17日發(fā)表在Nature genetic（IF=27.603）上的一篇題為《Extrachromosomal DNA is associated with oncogene amplification and poor outcome across multiple cancers》的文章揭示了ecDNA與致ai基因擴(kuò)增及多種ai癥的不良預(yù)后間的相關(guān)性。通過(guò)對(duì)3212名ai癥患者的全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)ecDNA擴(kuò)增通常發(fā)生在大多數(shù)ai癥類(lèi)型中；與線(xiàn)性DNA相比，ecDNA擴(kuò)增而引起的ai基因轉(zhuǎn)錄水平更高，同時(shí)染色質(zhì)的可及性得到增強(qiáng)，能夠更頻繁地與轉(zhuǎn)錄本融合；攜帶ecDNA的ai癥患者的生存期也明顯短于非ecDNAai基因擴(kuò)增引起的ai癥患者。此次研究結(jié)果表明，基于ecDNA的ai基因擴(kuò)增在ai癥中普遍存在，并導(dǎo)致許多ai癥類(lèi)型的患者預(yù)后不良。  影響因子：27.603
實(shí)驗(yàn)方法：Circle-Seq，全基因組測(cè)序，ATAC-seq
文章鏈接：《Extrachromosomal DNA is associated with oncogene amplification and poor outcome across multiple cancers》

研究?jī)?nèi)容
1.eccDNA擴(kuò)增廣 泛存在于各類(lèi)ai癥類(lèi)型中
ai基因擴(kuò)增是ai細(xì)胞中常見(jiàn)的功能獲得性改變，使腫 瘤細(xì)胞能夠規(guī)避體內(nèi)平衡期間的制約和平衡，從而驅(qū)動(dòng)腫 瘤生長(zhǎng)�；�于ecDNA的擴(kuò)增一直被認(rèn)為是細(xì)胞增加特定基因拷貝數(shù)(CN)的一種方法，但它們的發(fā)生頻率尚不清楚。全基因組測(cè)序(WGS)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析和新的環(huán)狀DNA文庫(kù)富集方法表明，在中樞 神經(jīng)系統(tǒng)的腫 瘤中ecDNA的頻率相對(duì)較高。
研究人員應(yīng)用AmpliconArchitect基于 WGS腫 瘤組織的數(shù)據(jù)，與正常組織和血液ai癥基因組圖譜(TCGA) (n = 3731)比較，通過(guò)全基因組的泛ai分析(PCAWG)(n = 1291)量化并區(qū)分結(jié)構(gòu)區(qū)域大于10kb，超過(guò)4倍（CN > 4，樣本中位數(shù)以上倍數(shù)）的擴(kuò)增子，這些擴(kuò)增子分為(1)‘環(huán)狀’(圖1a)，表示存在于染色體外的擴(kuò)增子；(2)‘BFB’，帶有由‘斷裂-融合-橋’(BFB)機(jī)制創(chuàng)建的標(biāo)記；(3)‘重排列’，指含有來(lái)自不同染色體或染色體上相距很遠(yuǎn)的DNA片段的非環(huán)狀擴(kuò)增子(>1 Mb)；(4)‘線(xiàn)性’，表示線(xiàn)性擴(kuò)增。擴(kuò)增子狀態(tài)是腫 瘤標(biāo)本分類(lèi)的依據(jù)。缺乏擴(kuò)增的樣本標(biāo)記為“未檢測(cè)到局部體細(xì)胞CN擴(kuò)增”（圖1a）。
測(cè)序結(jié)果表明，AmpliconArchitect在區(qū)分環(huán)狀DNA擴(kuò)增子和線(xiàn)性DNA擴(kuò)增子方面，WGS和環(huán)狀DNA測(cè)序（Circle-Seq）方法具有非常高的一致性（圖1b），表明分類(lèi)的可靠性。基于AmpliconArchitect分類(lèi)WGS中的 3212個(gè)腫 瘤樣本數(shù)據(jù)集和1810個(gè)非腫 瘤數(shù)據(jù)集，研究人員從中發(fā)現(xiàn)460例(14.3%)腫 瘤樣本進(jìn)行1或多個(gè)環(huán)狀擴(kuò)增子，證明在ai癥中ecDNA擴(kuò)增是一種常見(jiàn)的事件。相比之下，環(huán)狀擴(kuò)增在匹配的全血或正常組織樣本中幾乎檢測(cè)不到(圖1c)。環(huán)狀擴(kuò)增子頻率的分布與早期ai癥模型的結(jié)果一致，表明ecDNA擴(kuò)增是多種ai癥亞型的明確特征，而非正常細(xì)胞。 2.復(fù)發(fā)性ai基因擴(kuò)增往往發(fā)生在ecDNA上
579個(gè)環(huán)狀擴(kuò)增子的染色體分布與非環(huán)狀擴(kuò)增子的染色體區(qū)域相比是非隨機(jī)的(圖2a)。在24個(gè)常復(fù)發(fā)的擴(kuò)增ai基因中，有38%常出現(xiàn)在環(huán)狀擴(kuò)增子上，其中PAX8占11%，CDK4占62%(圖2b)。在至少5個(gè)樣本擴(kuò)增的1,804個(gè)ai基因列表中，21.8%的ai基因具有多個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)擴(kuò)增。對(duì)于高度擴(kuò)增的ai基因(即CN > 8)，這一比例進(jìn)一步增加到53.5%。中樞 神經(jīng)系統(tǒng)中ai基因的環(huán)狀擴(kuò)增比非環(huán)狀擴(kuò)增更高。通過(guò)進(jìn)一步觀察，ecDNA結(jié)構(gòu)和ai基因擴(kuò)增之間的關(guān)聯(lián)并未延伸到斷點(diǎn)。對(duì)于24個(gè)頻繁擴(kuò)增的ai基因，在單位間隔內(nèi)觀察特定數(shù)目斷點(diǎn)的頻率呈指數(shù)衰減，這與在ai基因周?chē)�的大多�?shù)隨機(jī)發(fā)生保持一致(圖2c)。這些結(jié)果表明，ecDNA是通過(guò)隨機(jī)過(guò)程形成的，對(duì)促生長(zhǎng)ai基因高拷貝的選擇導(dǎo)致ai基因在腫 瘤發(fā)育過(guò)程中快速擴(kuò)增，而由于其遺傳不均一，保留了瘤內(nèi)的遺傳異質(zhì)性。 3.與線(xiàn)性DNA相比，ecDNA擴(kuò)增導(dǎo)致的ai基因轉(zhuǎn)錄水平更高
環(huán)狀ecDNA擴(kuò)增的轉(zhuǎn)錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在所有擴(kuò)增子類(lèi)別中觀察到DNA CN和ai基因表達(dá)水平高度明顯相關(guān)(圖3a)。然而，DNA CN歸一化后，環(huán)狀擴(kuò)增子上的ai基因表達(dá)明顯高于非環(huán)狀擴(kuò)增子。轉(zhuǎn)錄活性中不依賴(lài)于CN的增加現(xiàn)象可能部分是因?yàn)樵鰪?qiáng)子劫持機(jī)制和ecDNA上染色質(zhì)可及性提高。為了比較環(huán)狀擴(kuò)增和非環(huán)狀區(qū)域之間控制基因表達(dá)的表觀遺傳機(jī)制，采用36個(gè)樣本(ATAC-seq)圖譜分析了轉(zhuǎn)座酶可達(dá)染色質(zhì)的重疊分析。經(jīng)DNA CN水平校正后，環(huán)狀和BFB擴(kuò)增子的染色質(zhì)明顯比重排列和線(xiàn)性擴(kuò)增子更容易接近(圖3b)，因此，增加的染色質(zhì)可及性在ecDNAai基因的失調(diào)中扮演了一個(gè)重要的角色。與非環(huán)狀擴(kuò)增相比，環(huán)狀擴(kuò)增的轉(zhuǎn)錄子融合頻率增加了5倍(圖3c)。我們觀察到圍繞環(huán)狀擴(kuò)增子結(jié)構(gòu)的DNA CN，RNA表達(dá)和染色質(zhì)可及性的聚集(圖3d)。

圖 3 不同類(lèi)型擴(kuò)增子的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性

4.攜帶ecDNA的ai癥患者生存期更短
通過(guò)臨床數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與非環(huán)狀或無(wú)擴(kuò)增的腫 瘤相比，含有ecDNA擴(kuò)增的腫 瘤患者的5年生存率明顯更差(Fig. 4a)，并且環(huán)狀擴(kuò)增子在惡性腫 瘤如膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中更為普遍。文章通過(guò)擬合了Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型說(shuō)明與疾病亞型相關(guān)的生存率，該模型在控制了疾病亞型后測(cè)試生存率。模型顯示，攜帶圓形擴(kuò)增子的腫 瘤患者的危險(xiǎn)比明顯更高(圖4b)。這些發(fā)現(xiàn)暗示染色體外DNA擴(kuò)增與惡性腫 瘤的侵襲性行為有關(guān)，可能是通過(guò)為腫 瘤提供額外的途徑來(lái)繞過(guò)治 療和其他進(jìn)化瓶頸。

圖 4 環(huán)型擴(kuò)增子與不良預(yù)后相關(guān)

總結(jié)

本文作者通過(guò)提供的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀ecDNA在ai癥中發(fā)揮關(guān)鍵作用，環(huán)狀ecDNA為實(shí)現(xiàn)和維持高拷貝ai基因擴(kuò)增和多樣性，同時(shí)驅(qū)動(dòng)染色質(zhì)可達(dá)性增強(qiáng)和ai基因轉(zhuǎn)錄升高。這種擴(kuò)增機(jī)制在很大一部分人類(lèi)ai癥中起作用，并對(duì)患者預(yù)后產(chǎn)生負(fù)面影響，與ai癥譜系無(wú)關(guān)。結(jié)果展示了ecDNA在ai癥中的應(yīng)用�？紤]到ai癥的異質(zhì)性，可以肯定不同類(lèi)型的ai癥之間存在ecDNA結(jié)構(gòu)和行為的多樣性。進(jìn)一步的研究將有助于更好地理解產(chǎn)生包括ecDNA在內(nèi)的基因組重排的機(jī)制，如深入研究跨ai癥的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異的模式。本文在ai癥基因組學(xué)和廣 泛的患者群體實(shí)用性之間建立聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)人類(lèi)ai癥中ecDNA進(jìn)行診斷或治 療的潛力。

云序生物eccDNA測(cè)序
eccDNA測(cè)序（別名：Circle-Seq﹑環(huán)狀DNA測(cè)序）是eccDNA檢測(cè)利器，可以高通量地對(duì)各種物種樣本當(dāng)中檢測(cè)樣品中的所有eccDNA，具有檢出率高﹑準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn)。云序生物eccDNA測(cè)序采用多種方法高效地富集和擴(kuò)增eccDNA，簡(jiǎn)述如下：首先，利用離子交換柱高效富集基因組DNA中的eccDNA，然后利用核酸酶進(jìn)一步對(duì)富集的eccDNA進(jìn)行消化除去殘余線(xiàn)性DNA。富集純化后，通過(guò)滾環(huán)擴(kuò)增獲得大量的eccDNA拷貝，再利用NGS測(cè)序高通量地檢測(cè)樣品中所有的環(huán)狀DNA分子。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)流程，極大地提高了eccDNA的檢出率和檢測(cè)靈敏度。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膃ccDNA生信流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)eccDNA準(zhǔn)確的識(shí)別和詳細(xì)的基因注釋?zhuān)�快速找到ai癥、腫 瘤等疾病機(jī)理研究和診斷的靶向eccDNA。      

 

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