Nature | 染色体外DNA驱动癌症机理

原创 风不止步 图灵基因 2021-12-23 09:00

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：风不止步

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亮点：

染色体外DNA (extrachromosomal DNA, ecDNA)几乎不存在于正常细胞中，却存在于接近一半的人类癌症细胞中，这表明对这类异常DNA的研究对我们理解肿瘤形成与进化具有重要意义.

EcDNA中心在没有转录的情况下持续存在，并被BET蛋白BRD4束缚。BET抑制剂JQ1分散EcDNA中心，优先抑制EcDNA癌基因转录，并杀死EcDNA+癌细胞。两个扩增的癌基因MYC和FGFR2在EcDNA中心混合，参与分子间增强子-启动子相互作用，转录对JQ1一致敏感。EcDNA中心是许多EcDNA的核体，由蛋白质和合作转录平台束缚，利用癌基因多样化和组合DNA相互作用。

2021年11月24日，斯坦福大学Howard Y. Chang博士等人在《Nature》上发表了一篇“EcDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression”的文章，文章展示由大约10-100个聚集在间期细胞核中的EcDNA组成的EcDNA中心，驱动分子间增强子输入以放大癌基因表达。

编码癌基因的环状EcDNA是癌症基因组的普遍特征，也是人类癌症进展的有力驱动因素。 EcDNA 是共价闭合的、双链的，大小从约 100 千碱基到几兆碱基不等。EcDNAs缺乏着丝粒，在每次细胞分裂后随机分布在子细胞中，允许快速积累和选择具有耐药性或其他适应性优势的EcDNA 变体。EcDNA 染色体外元件重新整合到染色体中形成称为均质染色区 (HSR) 的串联重复序列。EcDNA 具有更高的染色质可及性，缺乏更高阶的染色质压缩，并包含内源性癌基因增强子元件。根据定义，EcDNA 存在于正常染色体之外，并且对其在细胞核中的空间组织知之甚少。值得注意的是，EcDNA 可以在细胞分裂期间或 DNA 损伤后聚集，其生物学后果尚不清楚。

人类8q24号染色体上的MYC致癌基因是癌症中体细胞DNA重排的热点，人类癌症中近30%的MYC扩增以ecDNA的形式存在，通常包括MYC和PVT1（浆细胞瘤变异转录1）的5'部分。PVT1位于MYC的3'处55kb，是人类癌症中一个反复出现的断点。PVT1的结构重排常常导致MYC的转录激活，并在历史上引领了对MYC作为一个致癌基因的认识。PVT1基因编码一个长的非编码RNA，含有多个基因内增强子，通常与PVT1启动子相互作用。然而，当PVT1启动子发生突变或沉默时，PVT1基因内增强子可以代替激活MYC。MYC和PVT1启动子之间的动态竞争暗示PVT1启动子是一个肿瘤抑制性DNA边界元件。作者研究致癌ecDNA的空间、表观遗传和转录动态，重点是人类癌细胞中的MYC-PVT1，并揭示ecDNA枢纽作为合作性致癌基因转录的组合增强子平台。

（图1：ecDNA成像显示ecDNA聚类和协同转录爆发）

研究表明癌细胞中携带致癌基因的EcDNA强烈共定位于与高水平转录相关的簇中，将这种现象称为EcDNA中心。这种EcDNA的局部聚集促进新的增强子-启动子相互作用和癌基因表达。反过来，这些增强剂在分子间的不同使用极大地促进了癌基因驱动程序中的细胞间异质性。与仅限于局部顺式调控元件的染色体转录中心不同，染色质构象数据和CRISPR干扰表明，EcDNA中心也可能涉及不同EcDNA分子上产生的反式调控元件。这一发现在EcDNA如何进行选择和EcDNA上致癌基因调控的重新布线如何促进致癌转录和癌细胞异质性方面具有深远的意义。

（图2：ecDNA分子间的分子间相互作用）

癌基因选择和癌细胞异质性中的 EcDNA 中心

研究提供携带不同增强子元件的EcDNA分子之间分子间相互作用的证据，从而提出一个用于致癌基因-增强子共同选择的两级模型。第一级共选择发生在单个EcDNA 上：与不具有功能增强剂的分子相比，具有功能增强剂的分子可以促进癌基因表达并为癌细胞提供更好的适应性。第二级共同选择发生在EcDNA库中。预测单个Ec cDNA分子不需要包含促进癌基因表达所需的所有增强子；相反，它们作为EcDNA中心的一部分存在，该中心促进了多种调控元件之间的染色质相互作用，并促进目标癌基因和可能位于不同分子上的功能增强子之间的相互作用。研究表明，增强子的使用在 EcDNA上变化很大，这与癌基因活性的癌细胞异质性有关。这可能归因于在 EcDNA中心背景下发生的不同的增强子-启动子相互作用。由于数十个 EcDNA分子可以在许多可能的空间配置中聚集在一起，致癌基因启动子可能有更大的机会通过新的增强子-启动子相互作用“采样”各种增强子。推测不同的相互作用有助于EcDNA上的高度可变的增强子活性和增强子重新布线。

（图3：基因组解剖确定了与MYC高表达相关的ecDNA增强子、ecDNA序列异质性和增强子-启动子接触）

EcDNA中心形成的潜在机制

推动EcDNA中心形成的力量可能是什么？转录中心被认为是由高浓度的转录因子、介质和RNA聚合酶II通过低复杂性蛋白质序列和RNA的相互作用形成的核凝聚物。小的瞬时转录中心是基因转录所必需的，从而推测EcDNA中心是一种转录中心，由涉及BRD4和可能的其他蛋白的蛋白质相互作用介导。MYC EcDNA中心不会被α-鹅膏蕈素或1,6-己二醇的转录抑制所破坏，这表明EcDNA中心不依赖于RNA聚合酶II或对己二醇敏感的特定IDR-IDR相互作用。

对癌细胞进化和治疗机会的影响

结果表明，EcDNA 中心为 EcDNA+癌细胞子集发展HSR的众所周知的趋势提供了一个合适的解释。最近的一项研究表明，EcDNA中的双链断裂可引发聚集、微核形成和重新整合到染色体HSR中。与独立地同时发生DNA断裂并整合到同一染色体基因座中的情况不同，位于中心空间附近的EcDNA可以实现相关的DNA断裂和浓缩DNA，从而为HSR形成潜在的条件。最后，EcDNA中心可能会影响EcDNA复制和分离。以前的工作已经证明，在有丝分裂期间，EcDNA 会成簇地传输到子细胞中。未来的研究可能会解决EcDNA中心是作为一个遗传单位还是仅仅作为一个短暂的集合。对EcDNA中心的观察还需要进一步研究这种不寻常的DNA分子3D组织是否会影响由基因组组织调节的其他细胞过程，例如DNA修复和复制。

（图4：BET蛋白介导ecDNA枢纽的形成和转录）

对EcDNA中心促进癌基因转录的认识可能会提供新的治疗机会。虽然染色体DNA扩增子在HSR上共价连接，但EcDNA中心由蛋白质结合在一起。在结肠直肠 COLO320-DM细胞系验证表明JQ1对BET蛋白的抑制会分解EcDNA中心并降低EcDNA衍生的MYC表达。JQ1优先抑制来自EcDNA+癌细胞的MYC转录，并抑制具有双癌基因中心的SNU16细胞中的MYC和FGFR2。鉴于EcDNA枢纽与高转录相关，EcDNA枢纽维持依赖于BRD4和或其他DNA结合蛋白的观察结果可能呈现出EcDNA驱动的癌症的独特脆弱性。介导EcDNA聚类的特定蛋白质可能是癌症类型特异性的，因为它可能需要与EcDNA扩增区域的内源性序列强烈结合。未来的研究使用广泛的筛选方法，结合对EcDNA中心维护的分析，可能会识别出在各种癌症类型中介导EcDNA聚集的蛋白质，并将为潜在的治疗工作提供大量信息。

教授介绍

Howard Y. Chang博士

VIRGINIA AND DK LUDWIG 癌症研究教授和遗传学教授

张博士出生于台湾，毕业于哈佛大学，现任斯坦福大学首席研究员。他在发现人类基因组中广泛存在的一类称为长非编码RNA的新基因时，对基因组科学做出重大贡献。长的非编码RNA是癌症转移和其他人类疾病以及发育和衰老的重要原因。他的工作表明，长的非编码RNA可以作为DNA和酶机器之间的指南，支架或诱饵。张博士的基因组技术已经被世界各地数以千计的实验室的研究人员广泛采用，并对许多人类疾病和模式生物的研究发生了革命性的变化。

职业教育：

住院医师：斯坦福大学皮肤科住院医师 (2003) CA

实习：Santa Clara Valley Medical Center Dept of Medicine (2001) CA

委员会认证：美国皮肤病学委员会，皮肤病学 (2004)

医学教育：哈佛医学院 (2000) MA

博士，麻省理工学院，生物学 (1998)

AB，哈佛，生物化学（1994）

研究重点是在细胞命运控制中协调大量基因活动的机制。介绍了长链非编码 RNA 在生物调控中的重要和普遍作用。团队在表观遗传学和RNA生物学方面拥有丰富的经验，包括发明表观基因组分析的新方法、绘制染色质上的RNA占有率以及定义全基因组的RNA结构。团队开创了识别大规模转录程序关键调控因子的方法；这些方法对于发育、癌症和衰老的研究非常有成效。实验室的长期目标是破译人类基因组中用于疾病诊断和治疗的调控信息。

参考文献

King L. Hung, Kathryn E. Yost, Liangqi Xie etal.EcDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression.(2021)