性质:EC DNA“群体作用”促进癌基因表达的扩增

来源：生物探索2021-12-07 12:32

每个人都一直认为基因默认在染色体上。染色体外DNA(ecDNA)概念的出现，可以说颠覆了人们的传统认知。经过半天的研究，结果发现方向错了。癌基因实际上不在我们关心的染色体上。因此，癌症研究打开了一扇新的大门。EcDNA是一种高度开放的DNA颗粒，存在于染色体外，在人类癌细胞中无处不在。因为它可以通过基因扩增和改变基因调控来介导癌基因。

每个人都一直认为基因默认在染色体上。染色体外DNA(ecDNA)概念的出现，可以说颠覆了人们的传统认知。经过半天的研究，结果发现方向错了。癌基因实际上不在我们关心的染色体上。因此，癌症研究打开了一扇新的大门。

EcDNA是一种高度开放的DNA颗粒，存在于染色体外，在人类癌细胞中无处不在。由于它可以通过基因扩增和基因调控的改变介导癌基因的高表达，因此被认为与异质性和耐药性有关。

编码癌基因的EcDNA是癌症基因组的普遍特征，也是癌症进展的强大驱动因素。EcDNA是共价闭合的双链，大小从100千碱基到几兆字节不等。由于缺乏着丝粒，ecDNA在细胞分裂过程中随机分布在子细胞中，有利于其快速积累，并可重新整合到染色体中，因此也可作为某些染色体扩增的前体。EcDNA具有较高的染色质可及性，但缺乏较高的染色质密度，并含有内源性癌基因增强子元件，这表明癌基因扩增子可能通过调节依赖来扩增转录。因为它存在于染色体外，所以其细胞核内的空间目前还不清楚。EcDNA在细胞分裂过程中或DNA损伤后会相互聚集，但聚集后的生物学后果目前尚不清楚。

斯坦福大学的HowardChang教授在《Nature》发表了一篇题为《ecDNAHUBS驱动协同分子间癌基因表达》的论文。他们研究了致癌ecDNA的核空间、表观遗传因子和转录调控，发现聚集在间期细胞核中的ECDNA可以“抱在一起”，驱动分子间增强子信号，促进癌基因的表达和扩增。

EcDNA促进癌症基因表达

研究团队通过DNA荧光原位杂交(FISH)观察了间期细胞核中ecDNA的聚集点，包括前列腺癌细胞系PC3(MYC扩增)、结直肠癌细胞系COLO320-DM(MYC扩增)、多形性胶质母细胞瘤细胞系HK359(EGFR扩增)和胃癌细胞系SNU16(MYC和FGFR2扩增)。结果表明，在所有ecDNA阳性的癌细胞中，除了几十到几百个单个的ecDNA分子外，ecDNAFISH基本集中在间期细胞核中，这表明ecDNAFISH之间相互强烈聚集，被研究团队称为EC DNA中心。经过进一步的实验，发现不同类型和不同癌基因扩增的原发癌都存在ecDNA聚集。

利用DNA和新生的RNAFISH，研究人员观察了PC3和COLO320-DM细胞中活跃转录的MYC等位基因，并计算了每个ecDNA分子的MYC转录概率。大多数新生MYCmRNA转录本来自ecDNA中心，而不是染色体。此外，ecDNA中心的转录活性高于单个ecDNA。因此，当ecDNA的中心聚集时，每个ECD na分子更有可能转录癌基因。

BRD4连接ecDNA中心和转录

癌基因MYC包含MYC和浆细胞瘤转化和迁移基因1(PVT1，拷贝数扩增相关lncRNA，一个已知的癌症相关区域)，两侧是由组蛋白H3乙酰化赖氨酸27(H3K27ac)和BET蛋白(如BRD4)标记的超级增强子。为了检测活细胞中的霉菌cDNA，研究人员将Tet-operator(TetO)阵列插入COLO320-DM细胞的霉菌cDNA中，并用Tet-eGFP标记ecDNA，以最大限度地减少GFP二聚化。生物成像显示，有多个动态核损伤对应于ecDNA聚集。内源性BRD4表位标记显示BRD4在TetO标记的ecDNA中心高度富集。通过测序H3K27ac和BRD4和染色质免疫沉淀分析染色质。结果表明，标记有活性H3K27ac的ecDNA也被BRD4占据。

为了确定BET蛋白在与ecDNA相关的转录中的作用，研究人员重点研究了同源结直肠癌细胞系Colo320-DM (MyccDNA)和COLO320-HSR(来自同一患者的肿瘤)。在TetO-GFPCOLO320-DM细胞中的活细胞成像显示，在有丝分裂期间，ecDNA的中心被分解成更小的颗粒。分解后，电子捕获检测器再次聚集成一个大中心。值得注意的是，有丝分裂后，ecDNA中心的重组被JQ1(BRD4抑制剂)阻断。结果表明，在COLO320-DM细胞中，ecDNA中心的形成、维持和基因转录对BET蛋白H3K27ac C的相互作用具有独特的依赖性。

ecDNA中心的反式激活

为了将ecDNA结构与MYC转录调控联系起来，研究团队通过5种正交方法重构了COLO320-DM的ecDNA，报道了目前已知最大的组装ecDNA结构，包括PVT1-MYC融合、标准MYC序列和来自多条染色体(6、8、13和16号染色体)的多拷贝序列，验证了PLUT、PCAT1和MYC基因正在被DNA FISH重构。

研究小组在COLO320-DM细胞中观察到PVT1启动子上的强BRD4结合，但在COLO320-DMecDNA细胞中没有。由于PVT1启动子可以被MYC激活，研究团队假设PVT1-MYC融合可以实现MYC表达的正反馈，避免PVT1和MYC启动子之间的过度表达。然而，在几种人类癌症中观察到PVT1重排和基因融合，导致基因过度表达。