《自然》:癌基因“地震放大”驱动多种癌症！

来源：奇点蛋糕2021-12-14 08:32

染色体外脱氧核糖核酸是一种特殊的环状脱氧核糖核酸，它从正常基因组中分离出来，不含染色体。早在1964年，人们就观察到神经母细胞瘤细胞中存在ecDNA，2]。然而，由于技术有限，人们对ecDNA在肿瘤发生发展中的具体作用没有进一步的认识。2017年，Paul Mischel团队在《自然》发表了一篇文章，证明了近一半人类的ecDNA是肿胀的。

染色体外脱氧核糖核酸是一种特殊的环状脱氧核糖核酸，它从正常基因组中分离出来，不含染色体。早在1964年，人们就观察到神经母细胞瘤细胞中存在ecDNA，2]。然而，由于技术的限制，人们对ecDNA在发生发展中的具体作用没有进一步的了解。

2017年，Paul Mischel团队在《自然》发表了一篇文章，证明了ecDNA广泛存在于人类近一半的肿瘤细胞中，有丝分裂过程中无着丝粒序列的ecDNA分布不均大大加速了异质性的形成[3]。

两年后，Paul Mischel团队又在《自然》杂志上发表了一篇研究论文，证明了ecDNA中存在高度开放的染色质结构，ecDNA上的癌基因表现出明显更高的表达水平[4]。到目前为止，ecDNA已经引起了广泛的关注。

目前，关于细胞内ecDNA起源的假说有很多，如串联复制模型、断桥融合模型(BFB)、色丝菌裂解模型等。但是，综合目前对ecDNA结构的分析表明，ecDNA的生成过程应该是一个比较复杂的过程，而不仅仅是单一因素造成的。

近日，德国科隆大学儿童医院Matthias Fischer教授在《自然学》发表了一项重要的研究成果，向我们展示了一种全新的“地震放大”引起的ecDNA生成机制(由于复杂的拷贝数放大模式与地震波相似，故被命名为地震放大)，为癌细胞中ecDNA的起源提供了新的见解[5]。

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。除了染色体扩增之外，还有相当数量的基因以电子捕获DNA的形式被扩增。

ecDNA的存在大大增加了肿瘤基因组的复杂性。神经母细胞瘤是一种主要发生在儿童身上的肿瘤。先前的研究表明，大约20%的神经母细胞瘤具有MYCN基因的拷贝数扩增[3]，并且这些扩增的大部分(93%)发生在ecDNA上。

为了更好地理解这些扩增类型的机制，费舍尔的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，发现部分拷贝数扩增的位点呈现出与其他区域完全不同的扩增模式。这些区域的所有位点都有超过14个拷贝数的扩增，并且发生了大规模的片段内或片段间重排。

由于这种放大模式的示意图与地震波相似，因此菲舍尔团队将这种放大模式定义为地震放大。通过对样本中地震放大产生的ecDNA进行统计分析，Fischer团队发现79个样本中有19个样本发生了地震放大。

随后，Fischer团队分析了地震放大的具体位点，发现地震放大主要发生在两个热点，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种情况下，2p和12q的放大区域通过重排相互连接，这表明这种形式的地震放大在相同情况下具有共放大。

观察到MYCN等ecDNA的丰富基因频繁出现在地震放大位点，Fischer团队分析了这些地震放大位点在细胞中的位置。FISH结果显示，细胞内地震扩增主要以三种形式存在：DM(双分钟，ecDNA的旧称)、HSR(ecDNA重新整合到染色体中形成的结构)和NC(新染色体，癌细胞中的一种异常染色体)。

为了证明地震扩增在胶质瘤中并不是一种独特的现象，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，鉴定出9127个拷贝数在5以上的扩增子。其中，255例中的284个扩增子(9.5%)根据以前的定义被归类为地震扩增位点，其中约95%在以前的研究中没有明确归类，这表明地震扩增可能定义了癌症中独特的结构变化类型。

此外，统计分析结果显示，地震放大具有明显的组织特异性，在高级别胶质瘤(34.2%)、骨肉瘤(26.5%)等癌症中发病率最高，而在淋巴瘤和良性肿瘤中几乎不存在(下图A)。与其他扩增模式相比，地震扩增具有更高的扩增和重排水平、更宽的染色体覆盖区域和更长的扩增片段长度(如下图B)。

考虑到以往研究表明细胞染色体断裂是ecDNA产生的原因之一[7]，而染色体断裂事件也会引起染色体片段间的大量重排，团队推测染色体断裂可能是驱动地震放大的初始事件之一。

为了验证这一假设，研究团队将染色体断裂事件发生的位点与地震放大的位点进行了比较，发现77.6%的地震扩增子与染色体断裂的位点部分重叠，其中34.9%完全重叠，这表明染色体断裂与地震放大有一定的关系。

但是，虽然染色体片段化可以促进大量的基因重排过程，但这一过程本身不会导致片段拷贝数的大量扩增(如图1b所示)，但地震扩增位点的拷贝数明显高于其他扩增位点，因此必然有其他过程促进地震扩增位点拷贝数的急剧增加。

以往的研究表明，BFB过程可以导致基因组的逐渐扩增，而BFB过程伴随着大量反向折叠序列的富集。相比之下，地震放大位点的反向折叠序列数量远低于其他形式的放大，这表明地震放大模式的形成中存在其他形式的拷贝数放大过程。