Nature | 染色體外DNA驅(qū)動癌癥機理

原創(chuàng)?風不止步?圖靈基因?2021-12-23 09:00

收錄于話題#前沿分子生物學(xué)機制

撰文：風不止步

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染色體外DNA (extrachromosomal DNA, ecDNA)幾乎不存在于正常細胞中储狭，卻存在于接近一半的人類癌癥細胞中，這表明對這類異常DNA的研究對我們理解腫瘤形成與進化具有重要意義.

EcDNA中心在沒有轉(zhuǎn)錄的情況下持續(xù)存在，并被BET蛋白BRD4束縛屯碴。BET抑制劑JQ1分散EcDNA中心捡遍，優(yōu)先抑制EcDNA癌基因轉(zhuǎn)錄匿情，并殺死EcDNA+癌細胞击奶。兩個擴增的癌基因MYC和FGFR2在EcDNA中心混合匹耕，參與分子間增強子-啟動子相互作用渔呵，轉(zhuǎn)錄對JQ1一致敏感怒竿。EcDNA中心是許多EcDNA的核體，由蛋白質(zhì)和合作轉(zhuǎn)錄平臺束縛扩氢，利用癌基因多樣化和組合DNA相互作用耕驰。

2021年11月24日，斯坦福大學(xué)Howard Y. Chang博士等人在《Nature》上發(fā)表了一篇“EcDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression”的文章录豺，文章展示由大約10-100個聚集在間期細胞核中的EcDNA組成的EcDNA中心朦肘，驅(qū)動分子間增強子輸入以放大癌基因表達。

編碼癌基因的環(huán)狀EcDNA是癌癥基因組的普遍特征双饥，也是人類癌癥進展的有力驅(qū)動因素媒抠。?EcDNA?是共價閉合的、雙鏈的咏花，大小從約?100?千堿基到幾兆堿基不等趴生。EcDNAs缺乏著絲粒，在每次細胞分裂后隨機分布在子細胞中昏翰，允許快速積累和選擇具有耐藥性或其他適應(yīng)性優(yōu)勢的EcDNA?變體苍匆。EcDNA?染色體外元件重新整合到染色體中形成稱為均質(zhì)染色區(qū)?(HSR)?的串聯(lián)重復(fù)序列。EcDNA?具有更高的染色質(zhì)可及性棚菊，缺乏更高階的染色質(zhì)壓縮浸踩，并包含內(nèi)源性癌基因增強子元件。根據(jù)定義窍株，EcDNA?存在于正常染色體之外民轴，并且對其在細胞核中的空間組織知之甚少攻柠。值得注意的是，EcDNA?可以在細胞分裂期間或?DNA?損傷后聚集后裸，其生物學(xué)后果尚不清楚瑰钮。

人類8q24號染色體上的MYC致癌基因是癌癥中體細胞DNA重排的熱點，人類癌癥中近30%的MYC擴增以ecDNA的形式存在微驶，通常包括MYC和PVT1（漿細胞瘤變異轉(zhuǎn)錄1）的5'部分浪谴。PVT1位于MYC的3'處55kb，是人類癌癥中一個反復(fù)出現(xiàn)的斷點因苹。PVT1的結(jié)構(gòu)重排常常導(dǎo)致MYC的轉(zhuǎn)錄激活苟耻，并在歷史上引領(lǐng)了對MYC作為一個致癌基因的認識。PVT1基因編碼一個長的非編碼RNA扶檐，含有多個基因內(nèi)增強子凶杖，通常與PVT1啟動子相互作用。然而款筑，當PVT1啟動子發(fā)生突變或沉默時智蝠，PVT1基因內(nèi)增強子可以代替激活MYC。MYC和PVT1啟動子之間的動態(tài)競爭暗示PVT1啟動子是一個腫瘤抑制性DNA邊界元件奈梳。作者研究致癌ecDNA的空間杈湾、表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄動態(tài)，重點是人類癌細胞中的MYC-PVT1攘须，并揭示ecDNA樞紐作為合作性致癌基因轉(zhuǎn)錄的組合增強子平臺漆撞。

（圖1：ecDNA成像顯示ecDNA聚類和協(xié)同轉(zhuǎn)錄爆發(fā)）

研究表明癌細胞中攜帶致癌基因的EcDNA強烈共定位于與高水平轉(zhuǎn)錄相關(guān)的簇中，將這種現(xiàn)象稱為EcDNA中心于宙。這種EcDNA的局部聚集促進新的增強子-啟動子相互作用和癌基因表達浮驳。反過來，這些增強劑在分子間的不同使用極大地促進了癌基因驅(qū)動程序中的細胞間異質(zhì)性限煞。與僅限于局部順式調(diào)控元件的染色體轉(zhuǎn)錄中心不同抹恳，染色質(zhì)構(gòu)象數(shù)據(jù)和CRISPR干擾表明，EcDNA中心也可能涉及不同EcDNA分子上產(chǎn)生的反式調(diào)控元件署驻。這一發(fā)現(xiàn)在EcDNA如何進行選擇和EcDNA上致癌基因調(diào)控的重新布線如何促進致癌轉(zhuǎn)錄和癌細胞異質(zhì)性方面具有深遠的意義奋献。

（圖2：ecDNA分子間的分子間相互作用）

癌基因選擇和癌細胞異質(zhì)性中的?EcDNA?中心

研究提供攜帶不同增強子元件的EcDNA分子之間分子間相互作用的證據(jù)，從而提出一個用于致癌基因-增強子共同選擇的兩級模型旺上。第一級共選擇發(fā)生在單個EcDNA?上：與不具有功能增強劑的分子相比瓶蚂，具有功能增強劑的分子可以促進癌基因表達并為癌細胞提供更好的適應(yīng)性。第二級共同選擇發(fā)生在EcDNA庫中宣吱。預(yù)測單個Ec cDNA分子不需要包含促進癌基因表達所需的所有增強子窃这；相反，它們作為EcDNA中心的一部分存在征候，該中心促進了多種調(diào)控元件之間的染色質(zhì)相互作用杭攻，并促進目標癌基因和可能位于不同分子上的功能增強子之間的相互作用祟敛。研究表明，增強子的使用在?EcDNA上變化很大兆解，這與癌基因活性的癌細胞異質(zhì)性有關(guān)馆铁。這可能歸因于在?EcDNA中心背景下發(fā)生的不同的增強子-啟動子相互作用。由于數(shù)十個?EcDNA分子可以在許多可能的空間配置中聚集在一起锅睛，致癌基因啟動子可能有更大的機會通過新的增強子-啟動子相互作用“采樣”各種增強子埠巨。推測不同的相互作用有助于EcDNA上的高度可變的增強子活性和增強子重新布線。

（圖3：基因組解剖確定了與MYC高表達相關(guān)的ecDNA增強子现拒、ecDNA序列異質(zhì)性和增強子-啟動子接觸）

EcDNA中心形成的潛在機制

推動EcDNA中心形成的力量可能是什么辣垒？轉(zhuǎn)錄中心被認為是由高濃度的轉(zhuǎn)錄因子、介質(zhì)和RNA聚合酶II通過低復(fù)雜性蛋白質(zhì)序列和RNA的相互作用形成的核凝聚物印蔬。小的瞬時轉(zhuǎn)錄中心是基因轉(zhuǎn)錄所必需的勋桶，從而推測EcDNA中心是一種轉(zhuǎn)錄中心，由涉及BRD4和可能的其他蛋白的蛋白質(zhì)相互作用介導(dǎo)扛点。MYC EcDNA中心不會被α-鵝膏蕈素或1,6-己二醇的轉(zhuǎn)錄抑制所破壞哥遮，這表明EcDNA中心不依賴于RNA聚合酶II或?qū)憾济舾械奶囟↖DR-IDR相互作用。

對癌細胞進化和治療機會的影響

結(jié)果表明陵究，EcDNA?中心為?EcDNA+癌細胞子集發(fā)展HSR的眾所周知的趨勢提供了一個合適的解釋。最近的一項研究表明奥帘，EcDNA中的雙鏈斷裂可引發(fā)聚集铜邮、微核形成和重新整合到染色體HSR中。與獨立地同時發(fā)生DNA斷裂并整合到同一染色體基因座中的情況不同寨蹋，位于中心空間附近的EcDNA可以實現(xiàn)相關(guān)的DNA斷裂和濃縮DNA松蒜，從而為HSR形成潛在的條件。最后已旧，EcDNA中心可能會影響EcDNA復(fù)制和分離秸苗。以前的工作已經(jīng)證明，在有絲分裂期間运褪，EcDNA?會成簇地傳輸?shù)阶蛹毎芯ァＮ磥淼难芯靠赡軙鉀QEcDNA中心是作為一個遺傳單位還是僅僅作為一個短暫的集合。對EcDNA中心的觀察還需要進一步研究這種不尋常的DNA分子3D組織是否會影響由基因組組織調(diào)節(jié)的其他細胞過程秸讹，例如DNA修復(fù)和復(fù)制檀咙。

（圖4：BET蛋白介導(dǎo)ecDNA樞紐的形成和轉(zhuǎn)錄）

對EcDNA中心促進癌基因轉(zhuǎn)錄的認識可能會提供新的治療機會。雖然染色體DNA擴增子在HSR上共價連接璃诀，但EcDNA中心由蛋白質(zhì)結(jié)合在一起弧可。在結(jié)腸直腸?COLO320-DM細胞系驗證表明JQ1對BET蛋白的抑制會分解EcDNA中心并降低EcDNA衍生的MYC表達。JQ1優(yōu)先抑制來自EcDNA+癌細胞的MYC轉(zhuǎn)錄劣欢，并抑制具有雙癌基因中心的SNU16細胞中的MYC和FGFR2棕诵。鑒于EcDNA樞紐與高轉(zhuǎn)錄相關(guān)裁良，EcDNA樞紐維持依賴于BRD4和或其他DNA結(jié)合蛋白的觀察結(jié)果可能呈現(xiàn)出EcDNA驅(qū)動的癌癥的獨特脆弱性。介導(dǎo)EcDNA聚類的特定蛋白質(zhì)可能是癌癥類型特異性的校套，因為它可能需要與EcDNA擴增區(qū)域的內(nèi)源性序列強烈結(jié)合价脾。未來的研究使用廣泛的篩選方法，結(jié)合對EcDNA中心維護的分析搔确，可能會識別出在各種癌癥類型中介導(dǎo)EcDNA聚集的蛋白質(zhì)彼棍，并將為潛在的治療工作提供大量信息。

教授介紹

Howard Y. Chang博士

VIRGINIA AND DK LUDWIG?癌癥研究教授和遺傳學(xué)教授

張博士出生于臺灣膳算，畢業(yè)于哈佛大學(xué)座硕，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)首席研究員。他在發(fā)現(xiàn)人類基因組中廣泛存在的一類稱為長非編碼RNA的新基因時涕蜂，對基因組科學(xué)做出重大貢獻华匾。長的非編碼RNA是癌癥轉(zhuǎn)移和其他人類疾病以及發(fā)育和衰老的重要原因。他的工作表明机隙，長的非編碼RNA可以作為DNA和酶機器之間的指南蜘拉，支架或誘餌。張博士的基因組技術(shù)已經(jīng)被世界各地數(shù)以千計的實驗室的研究人員廣泛采用有鹿，并對許多人類疾病和模式生物的研究發(fā)生了革命性的變化旭旭。

職業(yè)教育：

住院醫(yī)師：斯坦福大學(xué)皮膚科住院醫(yī)師?(2003) CA

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

委員會認證：美國皮膚病學(xué)委員會，皮膚病學(xué)?(2004)

醫(yī)學(xué)教育：哈佛醫(yī)學(xué)院?(2000) MA

博士葱跋，麻省理工學(xué)院持寄，生物學(xué)?(1998)

AB，哈佛娱俺，生物化學(xué)（1994）

研究重點是在細胞命運控制中協(xié)調(diào)大量基因活動的機制稍味。介紹了長鏈非編碼?RNA?在生物調(diào)控中的重要和普遍作用。團隊在表觀遺傳學(xué)和RNA生物學(xué)方面擁有豐富的經(jīng)驗荠卷，包括發(fā)明表觀基因組分析的新方法模庐、繪制染色質(zhì)上的RNA占有率以及定義全基因組的RNA結(jié)構(gòu)。團隊開創(chuàng)了識別大規(guī)模轉(zhuǎn)錄程序關(guān)鍵調(diào)控因子的方法油宜；這些方法對于發(fā)育掂碱、癌癥和衰老的研究非常有成效。實驗室的長期目標是破譯人類基因組中用于疾病診斷和治療的調(diào)控信息验庙。

參考文獻

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