国自然研究热点—eccDNA的前世今生
2019年11月，顶尖国际学术期刊《Nature》和《Cell》相继发表了关于染色体外环状DNA(extrachromosomal circular DNA，eccDNA)的重要研究，彻底颠覆了人们对癌基因的传统认知，同时也迅速引爆了整个生物医学界，一时之间，将人们的目光都吸引到这个科研界的新宠儿身上。
大家都知道，DNA位于染色体上，但事实上，染色体外也有DNA，其中有一种特殊的环状DNA，就是今天要跟大家介绍主角--eccDNA。环状DNA是自然界普遍存在的一种DNA分子形式，例如细菌或酵母等微生物的基因组DNA、细菌质粒、线粒体DNA等等都是环状DNA分子。真核生物中还有一类特殊的环状DNA分子，它们从正常基因组中分离或脱落下来，游离于染色体基因组之外，以特殊的方式参与生理或病理过程。由于它们是在染色体之外独立存在的DNA分子，因此统称为染色体外DNA，又因为是环状结构，因此称其为染色体外环状DNA，简称eccDNA。它在很多物种中均存在，包括酵母、线虫、果蝇、哺乳动物、植物等等。
eccDNA 广泛存在于包括人类的各种真核生物中
其实，这种DNA并不是首次被发现，早在1965年就有关于eccDNA的报道，但当时并没有引起科学界重视，认为它只是染色体外无意义的垃圾碎片。近年来研究表明，eccDNA往往在肿瘤和衰老过程中富集，以特殊的方式参与肿瘤和衰老的发生发展进程。在大部分人类癌症细胞中eccDNA广泛存在，且它的富集通常会促进癌基因的扩增，从而增加了癌基因的可塑性和不稳定性，因此其对肿瘤细胞的进化可能存在重要的意义，这一发现使eccDNA一跃成为科研界的新宠儿。
2. eccDNA的主要特征
(1) 长度特征
目前对eccDNA的大小还没有定论，eccDNA大部分小于25kb，主要分布在0.1-5KB，但不同的文献报道中表述略有差别。它们往往是一些特殊的基因区域形成的，可携带完整的基因和特殊的调控元件，能独立完成复制过程，但不携带着丝粒和端粒结构。
eccDNA的长度分布
(2) 结构特征
早期对eccDNA结构认识比较局限，主要发现它们是环状DNA分子，并且往往是一些基因扩增的产物，其中也包含着DNA复制起始点，因此可以独立完成复制作用。2019年，Nature以及Cell文章对eccDNA的结构有了较为深刻的探索分析，发现eccDNA不仅携带了完整的基因，还携带了基因上游的启动子和增强子元件。eccDNA的染色质结构更加松散，其中的电镜照片也清楚的显示eccDNA为游离在染色体之外的环状DNA分子。
电镜展示eccDNA的圆环结构
(3) 形成特征
早期的研究发现eccDNA是基因扩增的产物，是基因组不稳定性的一种表现形式。肿瘤基因扩增往往以两种方式，一种是在染色体上进行基因的扩增，另一种则是形成eccDNA。目前关于肿瘤中eccDNA的形成机制还没有定论。早期的研究认为短重复序列是介导eccDNA形成的因素，主要通过基因重组机制实现，也有一些模型认为是在DNA复制过程中通过loop切除或在DNA复制暂停的时候复制泡中断裂的DNA片段连接形成。2018年，Anindya Dutta等在他们的一篇综述文章中用示意图展示了各种可能形成eccDNA的分子模型。
eccDNA可能的形成机制
(4) 表达特征
eccDNA可以携带完整的基因，尤其是肿瘤中经常携带致癌的驱动基因，不受控制的表达这些基因，最终导致肿瘤的恶性增长。eccDNA是基因扩增的一种形式，对癌基因的表达增高有重要的贡献。早期的研究聚焦于发现eccDNA的存在，并且是癌基因扩增的重要形式，认为这对癌基因表达的贡献主要是由于基因拷贝数的增加所致。2019年，Nature和Cell文章表明，eccDNA中染色质高度开放，并且其上存在着增强子序列，这些特征都提高了它的转录活性，因此，eccDNA对癌基因的过度表达既有拷贝数增加的因素，更有eccDNA本身高度转录活性的贡献。
eccDNA通过增加拷贝数和提高转录活性增强癌基因扩增
3. eccDNA的常见功能
早期人们一直认为eccDNA的存在是无意义的，直到2014年，Mischel实验室发现胶质母细胞瘤对EGFR抑制剂的耐药性是由eccDNA上的EGFRvIII功能获得性突变的可逆性丢失引起的，人们才重新开始注意ecDNA的功能。检测结果发现在天然染色体位点上的癌基因扩增相对较少，但是在癌症中ecDNA的扩增则较为普遍。2017年，Kristen等人通过比较肿瘤基因组和生殖细胞基因组之间的序列，发现在天然染色体位点上的癌基因扩增相对较少，但是在癌症中eccDNA的扩增则较为普遍。随后，越来越多的实验都表明，eccDNA的存在是强大且普遍的，它可以使癌基因在肿瘤细胞中的拷贝数大量增加，而这对于染色体扩增来说是很难实现的。
eccDNA不带着丝粒元件，因此不能通过有丝分裂的方式均匀分配到分裂后的细胞中。但eccDNA可以通过不对称分布，在肿瘤细胞中实现定向富集。尤其是携带了癌基因的肿瘤细胞，会因为癌基因拷贝数的增高而获得生长速度的优势，不对称分裂过程中携带越多的eccDNA，细胞就会获得越强的生存优势，因此这种基于不对称分布状态的遗传机制能在快速增殖的细胞中定向富集，因而其扩增使肿瘤能够快速获得并维持瘤内遗传异质性，这也意味着eccDNA在加速肿瘤进化中起着核心作用。
eccDNA通过不对称分布定向富集
eccDNA作为独立的DNA分子，在细胞中发挥功能的方式和机制是非常重要的问题。目前对eccDNA的功能有一定的研究，但相信随着研究的不断深入，未来一定会有更多新的功能被发现。Anindya Dutta等在他们的综述文章中系统的汇总了eccDNA的主要功能，如下图。
eccDNA常见功能
4. eccDNA的研究思路
所谓兵马未动，粮草先行！eccDNA的研究也是一场没有硝烟的战争，须得抢占先机，方能知己知彼，百战不殆。为了各位在这场“战争”中取得胜利，云序生物也为大家总结了eccDNA研究的思路。从文章的工作量、难易程度及杂志发表角度看，小编把eccDNA研究思路分为表达谱分析，生物标志物，功能机制研究三大类。那么接下来小编将从这三个角度给大家详述。
（1）表达谱
由于eccDNA属于最新的研究分子，其在众多物种和疾病中的分布情况都是未知的，这是研究eccDNA首先要解决的问题，也是各位科研工作者最好的一个切入点。不管研究什么内容，首先要做的就是确定好研究物种，疾病模型，样品类型等基本信息。接下来，通过高通量手段即环状DNA测序和RNA测序（云序生物提供此服务），确定eccDNA在样本的分布情况，并且通过DNA和RNA的联合分析，探索eccDNA与RNA表达之间的关系。如果想短平快的发表5-10分的文章，那么eccDNA表达谱分析显得再合适不过了。下面这篇文章探索了eccDNA在肌肉组织和血液样本中的分布情况。小编带领大家一起解读这篇高达11分的eccDNA表达谱文章。
传统观念认为，人类基因组通常形成稳定的染色体，只有肿瘤细胞才有eccDNA。然而，哥本哈根大学的研究人员采集了16名男子的骨骼肌样本和血液样本，通过环状DNA测序和RNA测序（云序生物提供此服务）和分析发现，eccDNA也存在于正常组织中，有些甚至还拥有一个或多个可表达的基因。该研究证实了eccDNA的普遍存在性，促进了eccDNA在不同物种和不同样本中的进一步探索。
正常组织中eccDNA的分布特征
小编在这儿也给大家整理了eccDNA表达谱的研究思路，如下图。
（2）生物标志物
eccDNA优于线性DNA的生物稳定性以及独特的分子结构特征，为迅速发展的无创活检道路增添了新的方向，如果有较多的临床样本，它非常适合做生物标志物的研究。下面这篇文章是eccDNA在液体活检方面探索的先驱文章，小编带大家一起领略其风采。
本篇文章聚焦eccDNA在无创产前检测方面的应用潜力。通过环状DNA测序（云序生物提供此服务），检测和分析了5例孕期女性的血浆样品中eccDNA的特征，不同于线性DNA，eccDNA长度更长，母系来源的eccDNA比胚胎来源的eccDNA分子长度也更长。成环位点上下游的信息有效的提示了可能的eccDNA形成机制，为接下来eccDNA的进一步研究奠定基础。这些成果都有利于推动eccDNA在液体活检以及生物标志物方面的应用。
孕妇血浆中eccDNA的特征
（3）功能机制
eccDNA作为独立的DNA分子，如何在细胞中发挥功能和机制是非常重要的问题。目前对eccDNA的功能有一定的研究，前期研究表明eccDNA能够增强癌基因扩增，近期又有研究证实eccDNA能够驱动癌基因的基因组重排，可见eccDNA发挥的功能强大，eccDNA的不对称分布发展模型也逐渐引起了大家的共识——包含eccDNA的癌细胞可能对不断变化的环境做出快速的反应，包括对癌症的治疗，如放化疗。因此未来的研究将需要更好地探索由eccDNA驱动的癌症是否更容易逃避治疗及其潜在的分子机制。相信随着研究的不断深入，未来一定会有更多新的功能机制被发现。今天小编在这里给大家汇总一下现有的eccDNA在功能机制方面的研究。下面请跟着编者一起走进eccDNA的新世界，了解这个神奇的分子在癌症治疗方面划时代的功能。
功能机制一
2017年，Nature上发表了一篇由加州大学圣地亚哥分校的Paul Mischel教授领导的研究团队完成的研究，共分析了17种不同的癌细胞的eccDNA。发现ecDNA是肿瘤的关键特征，它可以编码多种促进肿瘤发生发展的基因。此外，他们还发现ecDNA在肿瘤细胞发生、产生多样性及耐药性过程中发挥的作用远远大于位于染色体中的相同基因发挥的作用，即eccDNA能够驱动肿瘤的异质性和耐药性。
功能机制二
2019年，Nature上再次刊登了Paul Mischel教授带领的团队关于eccDNA的研究成果，该研究首次提供了eccDNA的电镜图，近一步证实了eccDNA的环状结构，并发现eccDNA能够通过高度开放染色质和超远距离调控等方式促进癌基因的转录。同期，Jeremy N. Rich和Peter C. Scacheri等对eccDNA中染色质结构和增强子状态进行了分析，表明eccDNA中非编码区的增强子功能也在eccDNA所携带的癌基因表达调控中发挥功能，也进一步表明了eccDNA特殊的染色质结构及其功能，这为后续的基础与应用研究，奠定了重要的基础。
功能机制三
2019年12月16日，eccDNA驱动致癌基因重构一文发表在Nature Genetics（IF=25.455）期刊上，该文章检测神经母细胞瘤中eccDNA，不仅发现了多种未被发现过的eccDNA，还发现eccDNA是体细胞基因组重排的主要来源。研究揭示了eccDNA通过嵌合环化和重新整合到线性基因组中的方式，导致致癌基因重组，为eccDNA功能探索提供了新的方向。
以上就是我们关于eccDNA的介绍，我们坚信疫情终会过去，科研的脚步从不停留。重量级期刊的文章发表已经为我们新一年的科研指明了方向，游走在线性DNA之外的eccDNA将是生物医学领域最闪亮的星。新分子，新方向，机遇与挑战并存，运气与实力同在，祝愿各位生物医学的工作者在新的一年能抢占先机，eccDNA将是您科研新年新气象的不二选择。
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