在癌細(xì)胞的生存競(jìng)賽中，有一種特殊的“作弊器”——染色體外DNA（ecDNA）。它像是一個(gè)游離在細(xì)胞內(nèi)的“外掛程序”，以環(huán)狀小圈的形式攜帶關(guān)鍵致癌基因，幫助癌細(xì)胞“開(kāi)掛升級(jí)”。臨床數(shù)據(jù)顯示，ecDNA存在于30%至50%的惡性腫瘤中，它的存在顯著加劇了腫瘤侵襲性、治療耐藥性和患者死亡率。
早在1965年，研究人員就在神經(jīng)母細(xì)胞瘤中觀察到當(dāng)時(shí)還被稱為“雙微體”的ecDNA的存在，但受限于技術(shù)手段，這個(gè)與癌細(xì)胞密切相關(guān)的潛在靶點(diǎn)的生物學(xué)意義長(zhǎng)期未被闡明。
4月28日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘海云團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表最新研究成果，團(tuán)隊(duì)首次揭示了ecDNA在腫瘤細(xì)胞中維持生存的關(guān)鍵機(jī)制，為理解ecDNA對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展的作用機(jī)制提供了新視角，也為開(kāi)發(fā)靶向ecDNA的抗腫瘤治療策略提供了重要理論依據(jù)。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。
鎖定腫瘤細(xì)胞“作弊器”復(fù)制漏洞
目前，針對(duì)ecDNA的復(fù)制機(jī)制、表觀遺傳重塑規(guī)律及其促癌機(jī)制的研究，已成為開(kāi)發(fā)新型抗癌療法的關(guān)鍵突破口。清除或干預(yù)ecDNA的功能，可能為改善惡性腫瘤治療提供重要策略。
現(xiàn)有的研究表明，ecDNA能在腫瘤細(xì)胞分裂演化的過(guò)程中持續(xù)存在，這就表明其一定能像染色體DNA一樣進(jìn)行了復(fù)制和分配，那么，ecDNA的復(fù)制和維持過(guò)程是否有其特殊之處呢？
為了破解ecDNA這個(gè)癌細(xì)胞“作弊器”的謎題，科學(xué)家們像偵探破案一樣，精心設(shè)計(jì)了一套研究方案，采用高科技手段在實(shí)驗(yàn)室里"復(fù)刻"了ecDNA：首先用CRISPR基因編輯技術(shù)，精準(zhǔn)剪下染色體上的特定DNA片段，讓細(xì)胞自身以“一條直線首尾粘成圓圈”的形式將其修復(fù)成環(huán)狀；其次在試管內(nèi)合成大小接近天然ecDNA的DNA環(huán)，再用特殊方法把它送進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，相當(dāng)于給細(xì)胞安裝了一個(gè)“外掛程序”。
在構(gòu)建好合適的細(xì)胞系后，研究人員建立了三個(gè)對(duì)照組，分別為：正常細(xì)胞與攜帶ecDNA的細(xì)胞、正常染色體DNA與被剪切成ecDNA的同款DNA、腫瘤細(xì)胞與攜帶ecDNA的腫瘤細(xì)胞。
研究人員通過(guò)對(duì)ecDNA這個(gè)“作弊器”進(jìn)行“犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查”，使用兩種實(shí)驗(yàn)方法觀察并鎖定ecDNA復(fù)制的相關(guān)蛋白質(zhì)，從中發(fā)現(xiàn)攜帶ecDNA的細(xì)胞對(duì)DNA損傷應(yīng)答關(guān)鍵因子的抑制劑更加敏感，這些抑制劑能夠顯著降低細(xì)胞內(nèi)ecDNA的含量，有效殺傷攜帶ecDNA的細(xì)胞。
揭示關(guān)鍵機(jī)制，提供腫瘤治療新靶點(diǎn)
DNA損傷應(yīng)答是細(xì)胞為應(yīng)對(duì)DNA損傷啟動(dòng)的一套“緊急維修系統(tǒng)”。當(dāng)DNA因輻射、化學(xué)毒素及復(fù)制錯(cuò)誤等內(nèi)源性或外源性的刺激出現(xiàn)損傷時(shí)（比如雙鏈斷裂或堿基錯(cuò)配），細(xì)胞會(huì)通過(guò)損傷應(yīng)答通路保護(hù)基因組穩(wěn)定。
研究團(tuán)隊(duì)鑒定出的蛋白質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)有很多DNA損傷應(yīng)答相關(guān)的因子，這是否意味著ecDNA更容易出現(xiàn)DNA損傷呢？ecDNA又是通過(guò)哪種途徑去修復(fù)這些損傷呢？
帶著這些疑問(wèn)，研究人員揭示了ecDNA在癌細(xì)胞中持續(xù)存在的關(guān)鍵機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，ecDNA高復(fù)制和高轉(zhuǎn)錄水平會(huì)導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)異常，使得ecDNA比染色體DNA更易發(fā)生斷裂。神奇的是，ecDNA利用了細(xì)胞里一個(gè)平時(shí)很少使用的“應(yīng)急修復(fù)工具箱”來(lái)維持自己的生存，這是一種快速但易出錯(cuò)的“自我修復(fù)”方式，在正常細(xì)胞中只是作為備用方案存在。正是這種“將錯(cuò)就錯(cuò)”的修復(fù)方式，讓ecDNA既能保持環(huán)狀結(jié)構(gòu)繼續(xù)“作惡”，又會(huì)在修復(fù)過(guò)程中不斷積累新的突變，使腫瘤變得越來(lái)越惡性。這就像給癌細(xì)胞裝了一個(gè)“變異加速器”，讓它們能更快地進(jìn)化出耐藥性等危險(xiǎn)特性。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)解釋了為什么ecDNA陽(yáng)性的腫瘤往往更具侵襲性，也為開(kāi)發(fā)針對(duì)ecDNA修復(fù)機(jī)制的新型抗癌藥物提供了重要線索。未來(lái)或許可以通過(guò)阻斷這個(gè)“應(yīng)急修復(fù)通道”，讓ecDNA無(wú)法自我修復(fù)而走向滅亡。
基于此特性，研究人員探討了治療ecDNA陽(yáng)性腫瘤的可行性方法。通過(guò)使用不同靶標(biāo)蛋白的抑制劑進(jìn)行處理，證實(shí)此類(lèi)干預(yù)策略能顯著降低ecDNA陽(yáng)性腫瘤細(xì)胞內(nèi)的ecDNA水平，因而這些蛋白有望作為ecDNA治療的通用靶標(biāo)，為開(kāi)發(fā)廣譜靶向ecDNA的療法提供了新方向。
“我們花費(fèi)近五年的時(shí)間去構(gòu)建ecDNA細(xì)胞系，確定其在腫瘤中的維持機(jī)制，以及篩選ecDNA維持的相關(guān)蛋白，驚喜地發(fā)現(xiàn)了這種ecDNA與DNA修復(fù)之間的微妙關(guān)系，進(jìn)一步加深了我們對(duì)ecDNA的認(rèn)知，也填補(bǔ)了目前針對(duì)ecDNA作為臨床藥物的理論空白”，文章唯一通訊作者甘海云說(shuō)道。
該研究系統(tǒng)闡明了腫瘤細(xì)胞中ecDNA的獨(dú)特生物學(xué)特性，這一突破性發(fā)現(xiàn)揭示了ecDNA通過(guò)平衡態(tài)調(diào)控參與腫瘤發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制，為臨床轉(zhuǎn)化提供了新靶點(diǎn)。未來(lái)，基于ecDNA分子特征開(kāi)發(fā)的靶向藥物有望成為30至50% ecDNA陽(yáng)性腫瘤患者的精準(zhǔn)治療選擇。
文章上線截圖
ecDNA維持的分子機(jī)制示意圖
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