國(guó)自然研究熱點(diǎn)—eccDNA的前世今生

​1. eccDNA為什么火？它到底是何方神圣？

2019年11月，頂尖國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature》和《Cell》相繼發(fā)表了關(guān)于染色體外環(huán)狀DNA(extrachromosomal circular DNA，eccDNA)的重要研究，徹底顛覆了人們對(duì)癌基因的傳統(tǒng)認(rèn)知，同時(shí)也迅速引爆了整個(gè)生物醫(yī)學(xué)界，一時(shí)之間，將人們的目光都吸引到這個(gè)科研界的新寵兒身上。

 

大家都知道，DNA位于染色體上，但事實(shí)上，染色體外也有DNA，其中有一種特殊的環(huán)狀DNA，就是今天要跟大家介紹主角--eccDNA。環(huán)狀DNA是自然界普遍存在的一種DNA分子形式，例如細(xì)菌或酵母等微生物的基因組DNA、細(xì)菌質(zhì)粒、線粒體DNA等等都是環(huán)狀DNA分子。真核生物中還有一類(lèi)特殊的環(huán)狀DNA分子，它們從正常基因組中分離或脫落下來(lái)，游離于染色體基因組之外，以特殊的方式參與生理或病理過(guò)程。由于它們是在染色體之外獨(dú)立存在的DNA分子，因此統(tǒng)稱為染色體外DNA，又因?yàn)槭黔h(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此稱其為染色體外環(huán)狀DNA，簡(jiǎn)稱eccDNA。它在很多物種中均存在，包括酵母、線蟲(chóng)、果蠅、哺乳動(dòng)物、植物等等。

其實(shí)，這種DNA并不是首次被發(fā)現(xiàn)，早在1965年就有關(guān)于eccDNA的報(bào)道，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起科學(xué)界重視，認(rèn)為它只是染色體外無(wú)意義的垃圾碎片。近年來(lái)研究表明，eccDNA往往在腫瘤和衰老過(guò)程中富集，以特殊的方式參與腫瘤和衰老的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程。在大部分人類(lèi)癌癥細(xì)胞中eccDNA廣泛存在，且它的富集通常會(huì)促進(jìn)癌基因的擴(kuò)增，從而增加了癌基因的可塑性和不穩(wěn)定性，因此其對(duì)腫瘤細(xì)胞的進(jìn)化可能存在重要的意義，這一發(fā)現(xiàn)使eccDNA一躍成為科研界的新寵兒。

2. eccDNA的主要特征

(1) 長(zhǎng)度特征
目前對(duì)eccDNA的大小還沒(méi)有定論，eccDNA大部分小于25kb，主要分布在0.1-5KB，但不同的文獻(xiàn)報(bào)道中表述略有差別。它們往往是一些特殊的基因區(qū)域形成的，可攜帶完整的基因和特殊的調(diào)控元件，能獨(dú)立完成復(fù)制過(guò)程，但不攜帶著絲粒和端粒結(jié)構(gòu)。

(2) 結(jié)構(gòu)特征
早期對(duì)eccDNA結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)比較局限，主要發(fā)現(xiàn)它們是環(huán)狀DNA分子，并且往往是一些基因擴(kuò)增的產(chǎn)物，其中也包含著DNA復(fù)制起始點(diǎn)，因此可以獨(dú)立完成復(fù)制作用。2019年，Nature以及Cell文章對(duì)eccDNA的結(jié)構(gòu)有了較為深刻的探索分析，發(fā)現(xiàn)eccDNA不僅攜帶了完整的基因，還攜帶了基因上游的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子元件。eccDNA的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加松散，其中的電鏡照片也清楚的顯示eccDNA為游離在染色體之外的環(huán)狀DNA分子。

(3) 形成特征
早期的研究發(fā)現(xiàn)eccDNA是基因擴(kuò)增的產(chǎn)物，是基因組不穩(wěn)定性的一種表現(xiàn)形式。腫瘤基因擴(kuò)增往往以兩種方式，一種是在染色體上進(jìn)行基因的擴(kuò)增，另一種則是形成eccDNA。目前關(guān)于腫瘤中eccDNA的形成機(jī)制還沒(méi)有定論。早期的研究認(rèn)為短重復(fù)序列是介導(dǎo)eccDNA形成的因素，主要通過(guò)基因重組機(jī)制實(shí)現(xiàn)，也有一些模型認(rèn)為是在DNA復(fù)制過(guò)程中通過(guò)loop切除或在DNA復(fù)制暫停的時(shí)候復(fù)制泡中斷裂的DNA片段連接形成。2018年，Anindya Dutta等在他們的一篇綜述文章中用示意圖展示了各種可能形成eccDNA的分子模型。

(4) 表達(dá)特征
eccDNA可以攜帶完整的基因，尤其是腫瘤中經(jīng)常攜帶致癌的驅(qū)動(dòng)基因，不受控制的表達(dá)這些基因，最終導(dǎo)致腫瘤的惡性增長(zhǎng)。eccDNA是基因擴(kuò)增的一種形式，對(duì)癌基因的表達(dá)增高有重要的貢獻(xiàn)。早期的研究聚焦于發(fā)現(xiàn)eccDNA的存在，并且是癌基因擴(kuò)增的重要形式，認(rèn)為這對(duì)癌基因表達(dá)的貢獻(xiàn)主要是由于基因拷貝數(shù)的增加所致。2019年，Nature和Cell文章表明，eccDNA中染色質(zhì)高度開(kāi)放，并且其上存在著增強(qiáng)子序列，這些特征都提高了它的轉(zhuǎn)錄活性，因此，eccDNA對(duì)癌基因的過(guò)度表達(dá)既有拷貝數(shù)增加的因素，更有eccDNA本身高度轉(zhuǎn)錄活性的貢獻(xiàn)。

3. eccDNA的常見(jiàn)功能

早期人們一直認(rèn)為eccDNA的存在是無(wú)意義的，直到2014年，Mischel實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤對(duì)EGFR抑制劑的耐藥性是由eccDNA上的EGFRvIII功能獲得性突變的可逆性丟失引起的，人們才重新開(kāi)始注意ecDNA的功能。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在天然染色體位點(diǎn)上的癌基因擴(kuò)增相對(duì)較少，但是在癌癥中ecDNA的擴(kuò)增則較為普遍。2017年，Kristen等人通過(guò)比較腫瘤基因組和生殖細(xì)胞基因組之間的序列，發(fā)現(xiàn)在天然染色體位點(diǎn)上的癌基因擴(kuò)增相對(duì)較少，但是在癌癥中eccDNA的擴(kuò)增則較為普遍。隨后，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)都表明，eccDNA的存在是強(qiáng)大且普遍的，它可以使癌基因在腫瘤細(xì)胞中的拷貝數(shù)大量增加，而這對(duì)于染色體擴(kuò)增來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn)的。

eccDNA不帶著絲粒元件，因此不能通過(guò)有絲分裂的方式均勻分配到分裂后的細(xì)胞中。但eccDNA可以通過(guò)不對(duì)稱分布，在腫瘤細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)定向富集。尤其是攜帶了癌基因的腫瘤細(xì)胞，會(huì)因?yàn)榘┗�因拷貝�?shù)的增高而獲得生長(zhǎng)速度的優(yōu)勢(shì)，不對(duì)稱分裂過(guò)程中攜帶越多的eccDNA，細(xì)胞就會(huì)獲得越強(qiáng)的生存優(yōu)勢(shì)，因此這種基于不對(duì)稱分布狀態(tài)的遺傳機(jī)制能在快速增殖的細(xì)胞中定向富集，因而其擴(kuò)增使腫瘤能夠快速獲得并維持瘤內(nèi)遺傳異質(zhì)性，這也意味著eccDNA在加速腫瘤進(jìn)化中起著核心作用。

eccDNA作為獨(dú)立的DNA分子，在細(xì)胞中發(fā)揮功能的方式和機(jī)制是非常重要的問(wèn)題。目前對(duì)eccDNA的功能有一定的研究，但相信隨著研究的不斷深入，未來(lái)一定會(huì)有更多新的功能被發(fā)現(xiàn)。Anindya Dutta等在他們的綜述文章中系統(tǒng)的匯總了eccDNA的主要功能，如下圖。

4. eccDNA的研究思路

所謂兵馬未動(dòng)，糧草先行！eccDNA的研究也是一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)，須得搶占先機(jī)，方能知己知彼，百戰(zhàn)不殆。為了各位在這場(chǎng)“戰(zhàn)爭(zhēng)”中取得勝利，云序生物也為大家總結(jié)了eccDNA研究的思路。從文章的工作量、難易程度及雜志發(fā)表角度看，小編把eccDNA研究思路分為表達(dá)譜分析，生物標(biāo)志物，功能機(jī)制研究三大類(lèi)。那么接下來(lái)小編將從這三個(gè)角度給大家詳述。

 

（1）表達(dá)譜
由于eccDNA屬于最新的研究分子，其在眾多物種和疾病中的分布情況都是未知的，這是研究eccDNA首先要解決的問(wèn)題，也是各位科研工作者最好的一個(gè)切入點(diǎn)。不管研究什么內(nèi)容，首先要做的就是確定好研究物種，疾病模型，樣品類(lèi)型等基本信息。接下來(lái)，通過(guò)高通量手段即環(huán)狀DNA測(cè)序和RNA測(cè)序（云序生物提供此服務(wù)），確定eccDNA在樣本的分布情況，并且通過(guò)DNA和RNA的聯(lián)合分析，探索eccDNA與RNA表達(dá)之間的關(guān)系。如果想短平快的發(fā)表5-10分的文章，那么eccDNA表達(dá)譜分析顯得再合適不過(guò)了。下面這篇文章探索了eccDNA在肌肉組織和血液樣本中的分布情況。小編帶領(lǐng)大家一起解讀這篇高達(dá)11分的eccDNA表達(dá)譜文章。
 

 

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，人類(lèi)基因組通常形成穩(wěn)定的染色體，只有腫瘤細(xì)胞才有eccDNA。然而，哥本哈根大學(xué)的研究人員采集了16名男子的骨骼肌樣本和血液樣本，通過(guò)環(huán)狀DNA測(cè)序和RNA測(cè)序（云序生物提供此服務(wù)）和分析發(fā)現(xiàn)，eccDNA也存在于正常組織中，有些甚至還擁有一個(gè)或多個(gè)可表達(dá)的基因。該研究證實(shí)了eccDNA的普遍存在性，促進(jìn)了eccDNA在不同物種和不同樣本中的進(jìn)一步探索。

小編在這兒也給大家整理了eccDNA表達(dá)譜的研究思路，如下圖。

 

（2）生物標(biāo)志物
eccDNA優(yōu)于線性DNA的生物穩(wěn)定性以及獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)特征，為迅速發(fā)展的無(wú)創(chuàng)活檢道路增添了新的方向，如果有較多的臨床樣本，它非常適合做生物標(biāo)志物的研究。下面這篇文章是eccDNA在液體活檢方面探索的先驅(qū)文章，小編帶大家一起領(lǐng)略其風(fēng)采。

 

本篇文章聚焦eccDNA在無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前檢測(cè)方面的應(yīng)用潛力。通過(guò)環(huán)狀DNA測(cè)序（云序生物提供此服務(wù)），檢測(cè)和分析了5例孕期女性的血漿樣品中eccDNA的特征，不同于線性DNA，eccDNA長(zhǎng)度更長(zhǎng)，母系來(lái)源的eccDNA比胚胎來(lái)源的eccDNA分子長(zhǎng)度也更長(zhǎng)。成環(huán)位點(diǎn)上下游的信息有效的提示了可能的eccDNA形成機(jī)制，為接下來(lái)eccDNA的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。這些成果都有利于推動(dòng)eccDNA在液體活檢以及生物標(biāo)志物方面的應(yīng)用。

（3）功能機(jī)制
eccDNA作為獨(dú)立的DNA分子，如何在細(xì)胞中發(fā)揮功能和機(jī)制是非常重要的問(wèn)題。目前對(duì)eccDNA的功能有一定的研究，前期研究表明eccDNA能夠增強(qiáng)癌基因擴(kuò)增，近期又有研究證實(shí)eccDNA能夠驅(qū)動(dòng)癌基因的基因組重排，可見(jiàn)eccDNA發(fā)揮的功能強(qiáng)大，eccDNA的不對(duì)稱分布發(fā)展模型也逐漸引起了大家的共識(shí)——包含eccDNA的癌細(xì)胞可能對(duì)不斷變化的環(huán)境做出快速的反應(yīng)，包括對(duì)癌癥的治療，如放化療。因此未來(lái)的研究將需要更好地探索由eccDNA驅(qū)動(dòng)的癌癥是否更容易逃避治療及其潛在的分子機(jī)制。相信隨著研究的不斷深入，未來(lái)一定會(huì)有更多新的功能機(jī)制被發(fā)現(xiàn)。今天小編在這里給大家匯總一下現(xiàn)有的eccDNA在功能機(jī)制方面的研究。下面請(qǐng)跟著編者一起走進(jìn)eccDNA的新世界，了解這個(gè)神奇的分子在癌癥治療方面劃時(shí)代的功能。

功能機(jī)制一 
 

 

2017年，Nature上發(fā)表了一篇由加州大學(xué)圣地亞哥分校的Paul Mischel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)完成的研究，共分析了17種不同的癌細(xì)胞的eccDNA。發(fā)現(xiàn)ecDNA是腫瘤的關(guān)鍵特征，它可以編碼多種促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的基因。此外，他們還發(fā)現(xiàn)ecDNA在腫瘤細(xì)胞發(fā)生、產(chǎn)生多樣性及耐藥性過(guò)程中發(fā)揮的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于位于染色體中的相同基因發(fā)揮的作用，即eccDNA能夠驅(qū)動(dòng)腫瘤的異質(zhì)性和耐藥性。 

功能機(jī)制二 
 

2019年，Nature上再次刊登了Paul Mischel教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)關(guān)于eccDNA的研究成果，該研究首次提供了eccDNA的電鏡圖，近一步證實(shí)了eccDNA的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)eccDNA能夠通過(guò)高度開(kāi)放染色質(zhì)和超遠(yuǎn)距離調(diào)控等方式促進(jìn)癌基因的轉(zhuǎn)錄。同期，Jeremy N. Rich和Peter C. Scacheri等對(duì)eccDNA中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)子狀態(tài)進(jìn)行了分析，表明eccDNA中非編碼區(qū)的增強(qiáng)子功能也在eccDNA所攜帶的癌基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮功能，也進(jìn)一步表明了eccDNA特殊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及其功能，這為后續(xù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，奠定了重要的基礎(chǔ)。

功能機(jī)制三
 

 

2019年12月16日，eccDNA驅(qū)動(dòng)致癌基因重構(gòu)一文發(fā)表在Nature Genetics（IF=25.455）期刊上，該文章檢測(cè)神經(jīng)母細(xì)胞瘤中eccDNA，不僅發(fā)現(xiàn)了多種未被發(fā)現(xiàn)過(guò)的eccDNA，還發(fā)現(xiàn)eccDNA是體細(xì)胞基因組重排的主要來(lái)源。研究揭示了eccDNA通過(guò)嵌合環(huán)化和重新整合到線性基因組中的方式，導(dǎo)致致癌基因重組，為eccDNA功能探索提供了新的方向。 

以上就是我們關(guān)于eccDNA的介紹，我們堅(jiān)信疫情終會(huì)過(guò)去，科研的腳步從不停留。重量級(jí)期刊的文章發(fā)表已經(jīng)為我們新一年的科研指明了方向，游走在線性DNA之外的eccDNA將是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最閃亮的星。新分子，新方向，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，運(yùn)氣與實(shí)力同在，祝愿各位生物醫(yī)學(xué)的工作者在新的一年能搶占先機(jī)，eccDNA將是您科研新年新氣象的不二選擇。

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