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《Nature》：癌基因“地震扩增”，驱动多种癌症！

2021.12.14

　　染色体外DNA（ecDNA）是一类特殊的从正常基因组上脱落下来的游离于染色体外的环状DNA。早在1964年，人们就在神经母细胞瘤细胞中观察到了ecDNA的存在，但由于技术受限，人们对于ecDNA在肿瘤发生发展中发挥的具体作用未能有更进一步认识。

　　2017年Paul Mischel团队在《自然》上发表文章证明，ecDNA在近一半的人类肿瘤细胞中广泛存在，且无着丝粒序列的ecDNA在有丝分裂过程中的不均等分配，大大加速了肿瘤异质性的形成。

　　两年后，Paul Mischel团队再次于《自然》杂志发表研究论文，证明ecDNA存在高度开放的染色质结构，并且ecDNA上的癌基因呈现出明显更高的表达水平。至此，ecDNA引发人们的广泛关注。

　　关于肿瘤细胞中ecDNA的起源目前有很多假说，如串联复制模型、断裂融合桥模型（BFB）、染色体碎裂模型（chromothripsis）等。然而，目前对ecDNA结构的综合分析表明，ecDNA的产生过程应该是一个更为复杂的过程，而非仅仅由单一因素引起。

　　最近，德国科隆大学儿童医院的Matthias Fischer教授在《自然·遗传学》上发表了一项重要研究成果，这项研究向我们展示了一种全新的由“地震扩增”（由于复杂的拷贝数扩增模式图类似地震波，故命名为地震扩增）引发的ecDNA产生机制，为癌细胞中ecDNA的起源提供了新的见解。

　　基因拷贝数扩增在癌症的发生发展中起着非常重要的作用，除了发生在染色体上的扩增外，还有相当一部分基因以ecDNA的形式进行扩增。

　　ecDNA的存在使得肿瘤基因组的复杂性大大提高，神经母细胞瘤是一类多发于儿童的肿瘤，先前的研究表明约20%的神经母细胞瘤中存在MYCN基因的拷贝数扩增，而这些扩增绝大多数（93%）发生于ecDNA上。

　　为了更好的理解这些扩增类型发生的机制，Fisher团队进行了这项研究。

　　首先，Fischer团队对79个神经母细胞瘤样本进行了全基因组分析，结果发现一些拷贝数发生扩增的位点呈现出与其他区域截然不同的扩增模式，这些区域内的位点均有14个以上的拷贝数扩增，且发生大规模的片段内部或片段间重排。

　　由于这种扩增模式的示意图与地震波类似，Fischer团队将这种扩增模式定义为地震扩增（seismic amplification）。通过对样本中以地震扩增形式产生的ecDNA进行统计分析，Fischer团队发现在79份样本中有19例存在地震扩增现象。

　　随后，Fischer团队对地震扩增发生的具体位点进行分析，发现地震扩增主要发生于两个热点区域，其中一个位于染色体2p24（覆盖MYCN位点），另一个位于12q13和12q15位点（覆盖CDK4和MDM2位点）。在4例病例中2p和12q的扩增区域通过重排相互连接，说明这种地震扩增的形式在同一病例中存在共扩增的现象。

　　由于观察到MYCN等ecDNA上富集基因在地震扩增位点频繁出现，Fischer团队对这些地震扩增位点在细胞中的定位进行了分析，FISH结果表明，在细胞中地震扩增主要以三种形式存在：DM（double minutes，即ecDNA的旧称）、HSR（ecDNA重新整合到染色体上形成的结构）、NC（neochromosomes，癌细胞中存在的一类畸形染色体）。

　　为了证明地震扩增并非脑胶质瘤中的独特现象，Fischer团队进一步对泛癌数据库中37种癌症的2677个样本进行了全基因组分析并从中鉴定出了9127个拷贝数在5以上的扩增子。其中，255个病例（9.5%）中的284个扩增子按照之前的定义被归为地震扩增位点，在这之中，约95%的位点在此前的研究中未被明确归类，这表明地震扩增可能定义了癌症中一种独特的结构改变类型。

　　另外，统计分析结果表明，地震扩增存在明显的组织特异性，在高级别脑胶质瘤（34.2%）、骨肉瘤（26.5%）和其他几种癌症中发生率最高，而在淋巴瘤、白血病和良性肿瘤中几乎不存在（如下图a）。与其他扩增模式相比，地震扩增有更高的扩增、重排水平，更广的染色体覆盖区域以及更长的扩增片段长度（如下图b）。

　　考虑到先前的研究表明肿瘤细胞发生的染色体碎裂是导致ecDNA产生的原因之一，而染色体碎裂事件也会使染色体片段间发生大量重排，因此，该团队猜测染色体碎裂可能是驱使地震扩增发生的起始事件之一。

　　为了验证这一假设，该团队对染色体碎裂事件发生位点与地震扩增位点进行了比对，结果发现77.6%的地震扩增子与染色体碎裂位点存在部分重叠，其中34.9%的位点完全重叠，说明染色体碎裂与地震扩增的发生确实存在一定关系。

　　不过，染色体碎裂虽然能促进大量基因重排过程，但这一过程本身并不会导致片段的拷贝数大量扩增（如图1b），而地震扩增位点的拷贝数却显着高于其他扩增位点，因此必然存在其他过程促使地震扩增位点的拷贝数急剧升高。

　　先前的研究已经表明BFB过程可导致基因组发生逐步扩增，而BFB过程伴随着大量反转折叠序列的富集。经比对，地震扩增位点中反转折叠序列数量远低于其他形式的扩增，说明地震扩增模式的形成存在着其他形式的拷贝数扩增过程。

　　因此，该团队开发了环状扩增（circular recombination）模型（如下图a），通过奇数或偶数次重组过程，可产生地震扩增位点类似的基因重排模式。

　　为了更精确地衡量BFB或环状重组过程在地震扩增模式形成过程中的贡献，该团队通过计算机对三种情况分别进行了模拟：（1）染色体碎裂后发生BFB，（2）BFB后发生染色体碎裂，（3）染色体碎裂后发生环状重组。经比对发现第三种情况的模拟结果与地震扩增位点的模式更加吻合。

　　基于以上事实，该团队提出了通过地震扩增形式产生ecDNA的模型：

　　一条或多条染色体发生染色体碎裂事件产生片段化DNA。

　　一条或多条染色体片段整合成环状的ecDNA形态。

　　ecDNA发生环状重组。

　　扩增片段可能继续以ecDNA形式存在，也可能通过整合到染色体上形成HSR区域的形式稳定存在。

　　总的来说，本文阐明了一种通过地震扩增产生ecDNA的全新机制，这种扩增方式有着更频繁的重排过程及更高的拷贝数，并且导致了更加复杂和多变的染色质结构，该研究为人们更好的理解癌症基因组演化提供了新的见解。

　　值得一提的是，美国国家癌症研究所（National Cancer Institute）和英国癌症研究中心（Cancer Research UK）的Cancer Grand Challenges计划，已经将针对ecDNA的研究列为了未来癌症研究中必须攻克的九个方向之一。另外，一些大型生物公司也开始了针对ecDNA的癌症疗法的研究，相信未来随着人们对ecDNA的研究愈发深入，人类一定能更好的认识癌症，攻克癌症。

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周锦帆