摘要：新研究表明，癌症可以通过将致癌基因储存在染色体外 DNA (ecDNA) 中来战胜人体，从而放大基因表达并促进肿瘤生长。Howard Chang 和 Paul Mischel 领导的团队发现，ecDNA 的混乱遗传增强了癌症的恢复能力，并发现了一种针对 ecD

新研究表明，癌症可以通过将致癌基因储存在染色体外 DNA (ecDNA) 中来战胜人体，从而放大基因表达并促进肿瘤生长。Howard Chang 和 Paul Mischel 领导的团队发现，ecDNA 的混乱遗传增强了癌症的恢复能力，并发现了一种针对 ecDNA 抑制肿瘤进展的潜在疗法。

DNA通常存在于染色体内，但某些肿瘤会将致癌基因储存在染色体之外，形成染色体外 DNA (ecDNA)。新研究正在研究 ecDNA 如何违背遗传惯例来驱动各种癌症，同时也为对抗这些恶性肿瘤提供了潜在的策略。

当癌症与人体对抗时，它会作弊。新研究调查了它最大胆的伎俩之一：将致癌基因藏匿在染色体外的环状 DNA 片段中。

由“癌症大挑战”资助的三项新研究揭示了这种染色体外 DNA（ecDNA）给肿瘤带来的不公平优势。霍华德·休斯医学研究所（The Howard Hughes Medical Institute，HHMI）研究员、医师科学家霍华德·Y·张 (Howard Y. Chang) 与斯坦福大学同事保罗·米歇尔 (Paul Mischel) 共同领导了其中两项研究，保罗·米歇尔是 2024 年 11 月 6 日发表的所有三篇论文的负责人。

“正常细胞遵循一定的规则。而癌症获胜的秘诀之一就是它不遵循同样的规则，”Chang 说道：“我们正在做的就是弄清楚它有哪些额外的动作。”

正常人类细胞通常将其 DNA 保留在染色体中。但这并不是 ecDNA 违背规范的唯一方式。Chang 和 Mischel 团队的研究描述了它如何违反控制遗传的基本原则之一，以帮助肿瘤生长并使其更具弹性。他们与国际合作者一起展示了 ecDNA 对癌症的贡献范围，特别是对最恶性的病例。该小组还报告了一种开发针对 ecDNA 的疗法的策略，以战胜含有它的肿瘤。

这三篇论文都是米歇尔领导的 eDyNAmiC 团队及其国际合作者从各种角度研究 ecDNA 的成果。通过癌症大挑战，eDyNAmiC 团队获得了英国癌症研究中心和美国国家癌症研究所的资助，英国癌症研究中心还获得了艾默生集体和卡米尼和文迪·班加家族信托基金的支持。

ecDNA 本身并不是什么新鲜事物。20 世纪 60 年代，科学家首次记录了它的存在，它是染色体外的小 DNA 点，其中包含与蛋白质一起包装的细胞 DNA。直到最近，科学家才将其视为癌症的一种罕见且可能无关紧要的特征，大约 1.4% 的肿瘤会出现这种特征。

大约 10 年前，这种看法开始发生变化，当时米歇尔和他的团队将肿瘤中常见的大量致癌基因或致癌基因的拷贝追溯到 ecDNA（而不是染色体，因为它们被认为位于染色体上）。

在分析癌细胞时，Chang 发现了一个巨大的信号，表明癌细胞的染色质（染色体中的 DNA 蛋白质物质）是开放的，因此可以进行基因表达。随后，他确定 ecDNA 是罪魁祸首。他说，对于它拥有的每一个基因拷贝，“ecDNA 产生的基因输出量与此成正比”。

驱动癌症的两个基因 MYCN（红色）和 CDK4（红色）位于 ecDNA 的环状分子上。当癌细胞分裂时（浅蓝​色，中间），ecDNA 分布不均匀，两者都倾向于在一个子细胞中（左）而不是另一个子细胞中。图片来源：Joshua Lange

研究人员已经确定，这是 ecDNA 分子导致癌症的关键：它们的 DNA 被转录（或转化为 mRNA，这是基因表达的早期步骤）的次数是染色体上相同序列的四倍。

他们获得这一优势的部分原因是通过合作。在2021 年描述的研究中，Chang 与 Mischel 等人合作发现 ecDNA 会聚集在一起形成枢纽。虽然距离很近，但不同的 ecDNA 分子会相互作用，其中一个分子上的表达增强元素会提高不同 ecDNA 上致癌基因的活性。

根据正常的遗传规律，这种有害的协同作用不应该持续存在。然而它却持续存在。Chang 和 Mischel 团队的最新研究揭示了其中的原理。

当细胞分裂时，它们会复制染色体，然后均匀地分配给后代。根据现代遗传学的基本原理之一——孟德尔第三定律，即独立分配定律——同一条染色体上的基因会一起遗传，而不同染色体上的基因则彼此独立分布。

“生物学中很少有定律，但这是其中之一。”Chang说。

一开始，研究团队就知道 ecDNA 的行为方式与染色体不同。这些分子缺乏着丝粒，着丝粒是用于在子细胞之间分配染色体的结构。因此，ecDNA 的遗传更加混乱，甚至包括后代获得的致癌基因拷贝数多于其父母的情况，这并不完全令人惊讶。

在实验中，Chang 和 Mischel 的团队发现了另一种更可预测的动态。通过在癌细胞中标记不同的、携带致癌基因的 ecDNA，然后在显微镜下观察细胞分裂，他们发现后代倾向于一起继承 ecDNA。

“当你拥有两种具有孟德尔遗传类型的不同 DNA 分子时，你会认为很多细胞都只具有其中一种分子，”Chang 说道：“但我们发现大多数细胞都同时具有两种 ecDNA物种。因此，如果你拥有更多的 ecDNA A 类型，那么你也会拥有更多的 B 类型。”

从某种程度上来说，这个结果是有道理的：ecDNA 相互协作，共同帮助癌细胞。通过让它们保持在一起，下一代可以延续这种好处。问题是，这种协调的遗传违反了孟德尔第三定律。

接下来，Chang 和 Mischel 的团队开始研究这种非常规遗传的驱动因素。理论上，基因 A 和基因 B 可以同时出现，因为那些只接受基因 A 的个体会面临某种导致其死亡的不利因素。然而，计算建模实验倾向于另一种情况：ecDNA 分子以某种方式一起移动。

Howard Chang（左）在斯坦福大学实验室与博士生 King L. Hung 交谈。图片来源：Claire S. Burke / HHMI

通过进一步研究，Chang 和 Mischel 的研究小组发现，通过抑制转录，他们可以打破这种动态，使 ecDNA 分子随机分布在子细胞中。这一发现具有直观意义：作为超强转录的一部分，ecDNA 在增强子和致癌基因之间形成物理连接，可以通过细胞分裂将它们固定在一起。

西班牙纳瓦拉大学应用医学研究中心的分子生物学家 Maite Huarte 表示：“这个观点很新颖，癌细胞中的 ecDNA 分子不是随机遗传的，而是存在一种与转录相关的固有特性，可以帮助细胞一起遗传 ecDNA。”但他没有参与 ecDNA 研究。

通过打破控制正常细胞和组织的众多规则，肿瘤为自己创造了逃避免疫系统和逃避治疗的机会。Huarte 表示，ecDNA 的协调遗传通过增加肿瘤内细胞的多样性来促进这种动态，从而为其在压力下适应提供了更多的选择。“这一特征会加速肿瘤的发展，对恶性肿瘤的影响可能很大。”

根据 11 月 6 日发表的三篇论文的分析，癌症似乎在超过 1.4% 的肿瘤中利用了这种优势。除了米歇尔之外，伦敦大学学院 (UCL) 癌症研究所的 Team eDyNAmiC 成员玛丽亚姆·贾马尔-汉贾尼 (Mariam Jamal-Hanjani) 以及弗朗西斯克里克研究所和伦敦大学学院的查尔斯·斯旺顿 (Charles Swanton) 也领导了这项研究。

研究小组在来自近 15,000 名患者的 39 种肿瘤的全基因组中发现了 ecDNA，占比略高于 17%。这些环状分子出现在癌症的所有阶段，从癌症出现开始。然而，它们更有可能出现在晚期肿瘤中，包括那些已经转移到体内新部位的肿瘤。同样，研究人员发现，它们在之前接受过癌症治疗的患者和存活时间较短的患者中更为普遍。

这项研究还暗示了 ecDNA 促进癌症发生的多种方式。除了致癌基因（癌症的主要成分）之外，研究人员还在这些分子上发现了其他促进恶性肿瘤的元素。例如，研究小组经常发现 ecDNA 只带有增强表达的元素，而其他 ecDNA 则带有参与调节免疫系统的基因。

该小组写道，ecDNA 是一个“难以解决的问题”，导致患者的治疗结果不佳，这与先前的研究结果相呼应。

“癌症的发展路径显然非常不同，这些路径对疾病的生物学意义重大，”这项研究的合著者米歇尔说：“当癌症发展路径不涉及孟德尔遗传学时，游戏规则就改变了。”

了解了他们目前所做的工作后，他和 Chang 找到了一种利用 ecDNA 的基本优势（超强转录）对抗癌症的方法。他们在第三篇论文中测试了这种方法。

基本策略很简单：利用细胞转录 DNA 和复制 DNA 的必要性之间的自然冲突。这两个过程的机制沿着 DNA 移动；碰撞会导致细胞死亡。

该团队专注于一种名为 CHK1 的酶，这种酶可以通过抑制复制来防止这种致命冲突。在实验中，他们发现抑制 CHK1 会选择性地破坏含有 ecDNA 的癌细胞。然而，CHK1 抑制剂与另一种药物英菲格拉替尼一起使用时最有效。这种方法似乎通过抑制肿瘤生长并阻止其细胞通过 ecDNA 对药物产生耐药性来阻碍肿瘤的生长。

Mischel 和 Chang 创立的生物科技公司 Boundless Bio 正在开发 ecDNA 靶向疗法，其中包括一种针对 CHK1 的疗法。该公司目前正在招募晚期实体瘤患者参与临床试验，测试不同的 CHK1 抑制剂与靶向疗法的结合效果。

eDyNAmiC 团队正在开展更多 ecDNA 研究。团队成员兼 HHMI 研究员 Harmit Malik 在弗雷德哈钦森癌症中心的实验室正在进行另一个更初步的项目，博士后 Grant King 正在研究一种独特的 ecDNA，这种 ecDNA 不是在癌症中发现的，而是在真菌中发现的。

虽然 ecDNA 不会出现在正常人类细胞中，但一种称为两微米质粒的特殊分子在酵母中很常见。与内容变化的癌症分子不同，质粒总是编码四个基因，这有助于其繁殖。至少据科学家所知，它似乎最多只能为酵母提供有限的益处，但不知何故，两者却建立了长期关系。

Malik 说：“这种 ecDNA 成功地与其宿主共同进化，从而能够繁殖数百万年。”

King 想要了解酵母细胞如何与质粒保持稳定的共存。这项研究可能会揭示出其中的弱点，有朝一日，这些弱点可能被用来对抗含有 ecDNA 的癌细胞。他说：“希望这种基础生物学方法能够产生与酵母之外相关的信息。”

其他团队成员和 HHMI 研究员、德克萨斯大学西南医学中心的 Zhijian (James) Chen 和斯坦福大学的 Michelle Monje 正在研究有关这些分子及其在癌症中的作用的不同问题。

作为一名癌症科学家，Huarte 对未来充满期待。

“对于我们这些研究人员来说，这非常令人兴奋，因为我们看到还有很多东西可以学习，还有很多治疗癌症的新机会，”Huarte 指出，最近关于 ecDNA 的发现也指出了一个令人震惊的事实。“尽管几十年来我们对肿瘤基因组进行了数千项研究，但仍有很多我们不明白的地方。”

参考文献：

“癌细胞中染色体外 DNA 的协调遗传”，作者：King L. Hung、Matthew G. Jones、Ivy Tsz-Lo Wong、Ellis J. Curtis、Joshua T. Lange、Britney Jiayu He、Jens Luebeck、Rachel Schmargon、Elisa Scanu、Lotte Brückner、严小伟、李睿、Aditi Gnanasekar、Rocío Chamorro González、Julia A. Belk、刘中林、Bruno Melillo、Vineet Bafna、Jan R. Dörr、Benjamin Werner、Weini Huang、Benjamin F. Cravatt、Anton G . Henssen、Paul S. Mischel 和 Howard Y. Chang，2024 年 11 月 6 日，《自然》。DOI：10.1038/s41586-024-07861-8

“染色体外 DNA 的起源和影响”，作者：Chris Bailey、Oriol Pich、Kerstin Thol、Thomas BK Watkins、Jens Luebeck、Andrew Rowan、Georgia Stavrou、Natasha E. Weiser、Bhargavi Dameracharla、Robert Bentham、Wei-Ting Lu、Jeanette Kittel、SY Cindy Yang、Brooke E. Howitt、Natasha Sharma、Maria Litovchenko、Roberto Salgado、King L. Hung、Alex J. Cornish、David A. Moore、Richard S. Houlston、Vineet Bafna、Howard Y. Chang、Serena Nik-Zainal、Nnennaya Kanu、Nicholas McGranahan、Genomics England Consortium、Adrienne M. Flanagan、Paul S. Mischel、Mariam Jamal-Hanjani 和 Charles Swanton，2024 年 11 月 6 日，《自然》。DOI：10.1038/s41586-024-08107-3

“增强转录-复制冲突针对 ecDNA 阳性癌症”，作者：Jun Tang、Natasha E. Weiser、Guiping Wang、Sudhir Chowdhry、Ellis J. Curtis、Yanding Zhao、Ivy Tsz-Lo Wong、Georgi K. Marinov、Rui Li、Philip Hanoian、Edison Tse、Salvador Garcia Mojica、Ryan Hansen、Joshua Plum、Auzon Steffy、Snezana Milutinovic、S. Todd Meyer、Jens Luebeck、Yanbo Wang、Shu Zhang、Nicolas Altemose、Christina Curtis、William J. Greenleaf、Vineet Bafna、Stephen J. Benkovic、Anthony B. Pinkerton、Shailaja Kasibhatla、Christian A. Hassig、Paul S. Mischel 和 Howard Y. Chang，2024 年 11 月 6 日，《自然》。DOI：10.1038/s41586-024-07802-5

来源：康嘉年華一点号