在細(xì)胞中，DNA緊密盤繞成染色體結(jié)構(gòu)，儲存著正常細(xì)胞生長和存活所需的所有遺傳物質(zhì)。然而，也存在一些微小的環(huán)狀DNA片段屬于“編制外人員”，它們游離在染色體之外，被稱為染色體外DNA（ecDNA）[1,2]。

作為編制外人員，ecDNA很是自由自在，想去哪就去哪。在細(xì)胞復(fù)制時，不同于“捆綁”在染色體上的DNA那樣整齊有序地進(jìn)入到每個子細(xì)胞中，ecDNA的分配很隨機。一個擁有6個ecDNA的母細(xì)胞，分裂后可能會得到分別擁有5個、7個ecDNA的子細(xì)胞組合，也可能會得到分別擁有0個、12個ecDNA的子細(xì)胞組合?？梢哉f，ecDNA不受常規(guī)的細(xì)胞分裂規(guī)則所約束，其本質(zhì)上是隨機且不可預(yù)測的。

已有的研究表明，人類多種類型腫瘤細(xì)胞中廣泛存在這些小圈，尤其是晚期腫瘤。這些ecDNA上往往含有具有致癌潛力的基因，且在腫瘤進(jìn)展和治療耐藥性方面發(fā)揮著重要作用，與患者治療預(yù)后較差相關(guān)[1,2]。不過，通常認(rèn)為在健康細(xì)胞中沒有ecDNA的存在。

然而，近日一篇發(fā)表在Nature期刊上的文章首次提出，ecDNA早在細(xì)胞癌變之前便已悄悄埋伏。

英國劍橋大學(xué)的Rebecca C. Fitzgerald、美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Vineet Bafna、美國斯坦福大學(xué)的Paul S. Mischel等研究人員聯(lián)手發(fā)現(xiàn)，不止是早期或晚期食管癌組織，食管癌患者的癌前細(xì)胞中同樣有ecDNA的存在。這意味著在食管細(xì)胞向食管癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，以及食管癌的進(jìn)展中，ecDNA都有參與[3]。

論文首頁截圖

Barrett食管是一種較為常見的病變，表現(xiàn)為食管下段的細(xì)胞由于長期胃酸或腸道膽汁反流而受損，發(fā)生變異，從扁平上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為柱狀上皮細(xì)胞。簡單形容一下就是，食管已經(jīng)快被沖刷成胃腸道的樣子了，相比于正常食管，Barrett食管看起來更像是胃腸道[4]。

大多數(shù)患有Barrett食管的人表現(xiàn)為非異型增生，而少數(shù)人的食管細(xì)胞則在遺傳或結(jié)構(gòu)異常的歧途上越走越遠(yuǎn)，在經(jīng)歷低度異型增生、高度異型增生后，細(xì)胞逐漸失去正常的形態(tài)和功能，發(fā)展為治療難度大、致死率高的食道癌。因此，被診斷為Barrett食管的患者通常需要接受頻繁的內(nèi)鏡組織活檢檢查，這便利了科學(xué)家們獲得食管癌發(fā)生前后的組織樣本。

在這項研究中，研究者們基于兩項獨立研究隊列的參與者活檢樣本和隨訪數(shù)據(jù)，進(jìn)行了一系列分析。這些參與者表現(xiàn)為不同程度異型增生的Barrett食管，以及早期（I期）食管癌、晚期（II-IV期）食管癌。

一方面，對來自劍橋大學(xué)的206名Barrett食管患者進(jìn)行橫斷面分析后發(fā)現(xiàn)，在沒有發(fā)生異型增生的Barrett食管樣本或表現(xiàn)為低度異型增生的樣本中，未檢測到ecDNA。在Barrett食管發(fā)生高度異型增生的樣本中，含有ecDNA的概率為4%（1人/25人）。對于早期或晚期食管癌患者而言，腫瘤樣本中含有ecDNA的概率分別為25%和43％。

另一方面，研究者們還對來自Fred Hutchinson癌癥研究中心（FHCC）的80名Barrett食管患者，其不同時期的活檢結(jié)果及其患癌結(jié)局進(jìn)行了縱向分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在患有Barrett食管且發(fā)展為食管癌的患者中，33%人的癌前細(xì)胞中含有ecDNA。其余未發(fā)展為食管癌的40名Barrett食管患者中，僅1人的病理組織細(xì)胞中含有ecDNA，這個人在后續(xù)隨訪期間去世，死因與Barrett食管無關(guān)。

如此來看，不僅是與癌癥進(jìn)展相關(guān)，在細(xì)胞徹底“黑化”為腫瘤細(xì)胞的過程中，ecDNA也沒少摻和。

 食管癌患者在患癌前，組織中已存在ecDNA

已有的研究結(jié)果表明，腫瘤細(xì)胞會產(chǎn)生ecDNA，可能是受全基因組倍增、染色體破裂所影響，因為這些因素會導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定。那么，癌前細(xì)胞中的ecDNA又是怎么來的呢？

研究者們觀察到，含有ecDNA的癌前細(xì)胞都存在TP53基因變異，且TP53基因變異與細(xì)胞發(fā)生全基因組倍增和染色體破裂相關(guān)。不過，并非所有含有ecDNA的高度異型增生細(xì)胞都發(fā)生這兩個事件。研究者們推測，TP53基因變異可能是癌前細(xì)胞出現(xiàn)ecDNA的幕后推手，除了影響基因組穩(wěn)定性，還有其它手段。

隨后，研究者們對ecDNA進(jìn)行了“身份鑒定”。結(jié)果顯示，高度異型增生的癌前細(xì)胞，其ecDNA含有KRAS、MYC、ERBB2等致癌基因，以及SOCS1、CIITA等與免疫調(diào)節(jié)相關(guān)的基因。

推斷在高度異型增生向腫瘤轉(zhuǎn)化、腫瘤進(jìn)展過程中，ecDNA的形成

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果在不同時間點獲取的活檢樣本中，細(xì)胞狀態(tài)相近，那么細(xì)胞中的ecDNA拷貝數(shù)也沒有明顯差異。但如果細(xì)胞異常狀態(tài)相差較大，那么這些異常細(xì)胞中的ecDNA拷貝數(shù)以及異質(zhì)性增加。另外，根據(jù)以上兩組隊列的數(shù)據(jù)顯示，ecDNA陽性的人之中，有31%含有不止一種ecDNA。

這說明，腫瘤可能在早期就具備不同程度的ecDNA異質(zhì)性。這種異質(zhì)性幫助癌前細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞適應(yīng)不斷變化的生存條件，促進(jìn)腫瘤在進(jìn)化過程中“開枝散葉”。

總而言之，這項研究顛覆了人們之前的推測。研究者們證實，不僅是腫瘤進(jìn)展，染色體外DNA在腫瘤轉(zhuǎn)化過程中也扮演了重要角色。他們表示，將進(jìn)一步探索ecDNA如何在細(xì)胞中產(chǎn)生，以及如何幫助癌細(xì)胞制備適宜其生長的蛋白質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wu, S., Bafna, V., Chang, H. Y. & Mischel, P. S. Extrachromosomal DNA: an emerging

hallmark in human cancer. Annu. Rev. Pathol. 17, 367–386 (2022).

[2]Lange, J. T. et al. The evolutionary dynamics of extrachromosomal DNA in human cancers.Nat. Genet. 54, 1527–1533 (2022).

[3]https://www./articles/s41586-023-05937-5

[4]Spechler, S. J. & Souza, R. F. N. Engl. J. Med. 371, 836–845 (2014).

[5]https://today./story/tiny-dna-circles-are-key-drivers-of-cancer