撰文 |咸姐

在癌癥生物學領域，染色體外DNA（extrachromosomal DNA, ecDNA）的發(fā)現(xiàn)重塑了我們對腫瘤演化的認知。ecDNA是獨立于染色體存在的大型環(huán)狀DNA分子，不包含著絲粒與端粒結構，因此在細胞分裂過程中能夠被隨機、不平等地分配到子代細胞中。這種獨特的遺傳方式，使得攜帶癌基因（如著名的MYC）的ecDNA能夠在部分細胞群體中迅速擴增，形成高拷貝數(shù)，從而極大地增強了癌基因的表達水平。研究表明，約15%的人類癌癥在確診時便存在ecDNA，尤其在侵襲性強、預后差的腫瘤類型中更為常見。ecDNA不僅是癌基因擴增的“引擎”，更是驅動腫瘤內異質性、基因組不穩(wěn)定性以及治療耐藥性的關鍵因素，其復雜的生物發(fā)生過程通常與染色體重排事件（如染色體碎裂和斷裂-融合-橋循環(huán)）密切相關【1,2】。

ecDNA的強大致癌能力，與其獨特的三維空間調控機制密切相關。與受染色質拓撲結構嚴格約束的染色體基因不同，ecDNA在核內更為靈活，能形成活躍的轉錄中心，從而“劫持”或創(chuàng)造高效的調控元件，使其攜帶的癌基因獲得遠超正常水平的表達【3】。然而，這些在ecDNA上被特異性激活、并強力助推癌基因表達的關鍵增強子究竟源自何處，仍是未解之謎。與此同時，人類基因組中大量存在的轉座元件（TE）在癌癥中的作用日益凸顯。在正常細胞中，這些重復序列（如LINE、SINE）通常被表觀遺傳機制所沉默。但在癌細胞中，全局性的表觀遺傳失調常常導致它們被重新激活。既往研究顯示，激活的轉座元件可通過插入突變破壞基因功能，或作為隱蔽的增強子重塑基因調控網絡，從而促進腫瘤發(fā)生，然而其在ecDNA上的功能與作用尚未被系統(tǒng)探索。

近日，來自美國斯坦福大學醫(yī)學院的Howard Y. Chang團隊在Nature Cell Biology上在線發(fā)表題為Enhancer activation from transposable elements in extrachromosomal DNA的文章，通過研究ecDNA的三維空間結構，發(fā)現(xiàn)與ecDNA結構變異相關的重復元件存在顯著富集現(xiàn)象，并將其歸類為ecDNA互作元件（EIE）。研究發(fā)現(xiàn)，當一個含有古老L1M4a1 LINE片段的特定EIE插入ecDNA后，會引發(fā)該元件的表達，而這種表達對癌細胞的生存適應性至關重要，由此揭示了特定重復元件的存在與癌基因在ecDNA上的異常表達之間的關系。

本文研究人員首先在攜帶MYC基因擴增ecDNA的結直腸癌細胞COLO320DM中進行了Hi-C（高通量染色體構象捕獲）分析，發(fā)現(xiàn)ecDNA與基因組中其他染色體存在著異常的相互作用模式，這些相互作用區(qū)域富含轉座元件，如長散在核元件（LINE）、短散在核元件（SINE）和長末端重復序列（LTR）。研究人員將這些通常含有反轉錄轉座子的1-kb相互作用稱為EIE。長讀長納米孔測序結果則證實，這些EIE普遍參與了廣泛的結構重排事件，并且與重建出的ecDNA區(qū)間存在大量重疊，其測序覆蓋度遠高于基因組平均水平，這有力地表明這些富含轉座元件的EIE本身就被整合到了ecDNA分子之上，是ecDNA結構變異中的一部分，而非獨立的染色質互作。

隨后，研究人員探究了ecDNA與EIE重排之間的重疊情況，發(fā)現(xiàn)了一個位于3號染色體上、含有一段與古老轉座元件L1M4a1（與LINE-1存在遠緣關系）同源的序列的特定互作元件EIE 14，其在ecDNA上的位置與MYC癌基因鄰近。研究結果證實，EIE 14被插入到了8號染色體擴增區(qū)CASC8和CASC11基因之間，距離MYC約200千堿基對的位置，并且不同大小的ecDNA條帶均含有該插入，體現(xiàn)了ecDNA分子的異質性。對公共數(shù)據(jù)庫的檢查發(fā)現(xiàn)，該EIE 14與MYC ecDNA的連接斷點在約46%的無病個體中作為一種既有的結構變異存在。由此表明，EIE 14并非在癌癥中新產生的突變，而是在腫瘤形成前就已存在于患者基因組中的一個“乘客”序列，隨后在MYC基因座被剪切并環(huán)化成ecDNA的過程中，被一同擴增并攜帶至ecDNA上。

進一步地，研究人員運用光學重建染色質結構（ORCA）技術，對EIE 14與MYC基因之間的空間關系進行了定量分析。通過設計分別靶向EIE 14、MYC外顯子2、PVT1外顯子1以及EIE 14所在染色體3的特異性探針，研究人員發(fā)現(xiàn)EIE 14與MYC在ecDNA擴增的細胞中被同步擴增到相似的拷貝數(shù)，并且兩者的信號點數(shù)量在細胞間呈現(xiàn)強相關性，表明它們并非隨機分布，而是傾向于共同存在于同一ecDNA分子上。通過計算所有信號點之間的最短 pairwise 距離并進行Ripley's K空間點模式分析，他們發(fā)現(xiàn)EIE 14與MYC在小于300納米的調控距離內表現(xiàn)出顯著的空間聚類行為，這種近距離接觸在12%的MYC-EIE 14配對中得以實現(xiàn)。這些結果證實了EIE 14在三維空間內與MYC頻繁發(fā)生近距離接觸，其空間聚類模式類似于增強子-啟動子的相互作用，暗示了其潛在的順式及反式調控作用。

最后，研究人員利用CRISPR干擾（CRISPRi）篩選技術在COLO320DM細胞中進行增殖實驗，發(fā)現(xiàn)靶向的部分EIE（包括EIE 14在內）能夠促進癌細胞的生長和生存適應性，抑制EIE 14可導致細胞生長出現(xiàn)顯著的急性缺陷。通過表觀基因組學分析，研究人員又發(fā)現(xiàn)EIE 14在ecDNA背景下呈現(xiàn)出開放的染色質狀態(tài)并富集H3K27ac和BRD4等典型的增強子相關標記，這與該序列在正常細胞系中通常被H3K9me3標記所抑制的狀態(tài)形成鮮明對比。熒光素酶報告基因實驗結果則表明EIE 14序列能顯著激活MYC啟動子驅動的基因表達。值得一提的是，通過RNA-FISH技術比較ecDNA陽性的COLO320DM細胞和僅存在染色體整合型擴增（HSR）的等基因細胞，發(fā)現(xiàn)EIE 14的轉錄只特異性地發(fā)生在ecDNA存在的細胞中。這些結果表明，EIE 14在ecDNA的獨特環(huán)境中被激活，具備了強大的增強子功能，并通過調控MYC等癌基因的表達，成為維持癌細胞生存與增殖的關鍵因子（圖1）。

圖1

綜上所述，本研究揭示了一種癌癥演進的新范式，即ecDNA能夠“劫持”并激活基因組中通常處于沉默狀態(tài)的轉座 元件，將其轉化為驅動腫瘤生長的功能性增強子。研究以EIE 14為例，證明這個古老的LINE元件在整合到MYC癌基因附近的ecDNA后，不僅在三維空間內與MYC頻繁互聚，更展現(xiàn)出關鍵的增強子活性和維持癌細胞生存的能力。這一發(fā)現(xiàn)闡明，ecDNA不僅是癌基因的擴增載體，更是一個功能強大的“調控元件重組平臺”，它通過重新激活基因組中的“化石”序列，重塑致癌基因調控網絡，從而極大地增強了腫瘤的適應性與進化潛力，無疑為理解癌癥的復雜性開辟了新視角，并為針對ecDNA及其活化元件的治療策略提供了理論基礎。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01788-6

制版人： 十一

參考文獻

1. Kim, H. Extrachromosomal DNA is associated with oncogene amplification and poor outcome across multiple cancers.Nat. Genet.52, 891–897 (2020).

2. Rosswog, C. Chromothripsis followed by circular recombination drives oncogene amplification in human cancer.Nat. Genet.53, 1673–1685 (2021).

3. Wu, S. Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression.Nature575, 699–703 (2019).

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