结直肠癌中的染色体外环状DNA：生物发生、功能和作为治疗靶点的潜力

背景

DNA以染色体的形式存在，并在真核生物中作为染色质结构组织。染色体外DNA (ecDNA)是一种特殊存在于癌细胞细胞核内的环状DNA，其大小从几十千碱基到百万碱基不等。Cox等人在1965年首次观察到ecDNA，被描述为双减，此后在近一半的携带癌基因的癌症类型中被检测到，包括肿瘤细胞系中的EGFR、ERBB2、MYC等，以及临床肿瘤样本。与其他形式的局灶扩增相比，含有ecDNA的肿瘤有较差的临床结局。因此，ecDNA出现在癌症基因组中，是一种与侵袭性肿瘤行为高度相关的致癌改变。ecDNA具有作为原癌基因扩增的潜在载体的特征。虽然具有核小体结构，但与线性扩增相比，其环状结构与转录水平升高相关。此外，由于着丝粒的缺乏，ecDNA上的癌基因在细胞分裂后被随机分离，并不均等地分隔成子细胞，这通过在选择压力下快速增加拷贝数而驱动肿瘤内异质性。

简介         

2023年2月27日，来自中国西安交通大学第一附属医院的Yinnan Chen及其团队在Oncogene (IF: 8.756)杂志上发表名为Extrachromosomal circular DNA in colorectal cancer: biogenesis, function and potential as therapeutic target的研究[1]。

研究要点

染色体外环状DNA (ecDNA)自半个多世纪前被发现以来，重新引起了人们的兴趣，成为肿瘤进化的关键驱动因素。ecDNA在许多类型的癌症中高度流行，包括结直肠癌 (CRC)，这是世界上最致命的癌症之一。ecDNA在调控CRC癌基因表达、肿瘤内异质性和治疗耐药性方面发挥着独立于典型染色体改变的重要作用。此外，ecDNA的存在与患者的预后有关，因为基于ecDNA的癌基因扩增对临床结局产生不利影响。最近对ecDNA的了解使结直肠癌的发病机制更加复杂。在这篇综述中，我们将讨论目前对CRC生物发生机制的理解和ecDNA的独特特征。此外，我们将研究ecDNA如何介导癌基因过表达、基因调控和与活性染色质的拓扑相互作用，从而促进遗传异质性，加速CRC恶性程度，并增强对治疗耐药性的快速适应。最后，我们将讨论ecDNA在CRC中潜在诊断和治疗意义。

主要结果

结直肠癌中ecDNA的生物发生

ecDNA在癌症中的形成

ecDNA通常被认为起源于染色体。ecDNA形成的确切分子机制尚不清楚。目前已经提出了几种ecDNA生成模型，如断裂-融合-桥 (BFB)循环、染色体畸变、易位-切除-缺失-扩增 (TEDA)模型以及片段模型。

在TEDA模型中，ecDNA是通过靠近染色体易位断裂点和缺氧诱导的脆性位点的原癌基因扩增、缺失产生的。靠近易位断裂点的DNA片段通常不太稳定。扩增事件发生在易位断裂点附近，并产生扩增的染色体片段，然后循环生成ecDNA (图1A)。它也可局部扩增并保留在染色体内，产生一个均匀和强烈染色的片段，称为均质染色区域 (HSR)，这表示染色体上某一片段的扩增。TEDA模式可以解释多条染色体或融合基因的共扩增。接下来，Carroll等人报道了附加体是ecDNA的前体，它们都可以整合到染色体中。在附加体模型中，DNA片段可以从染色体上切除，然后环状化为环状DNA (图1A)。它删除含有复制起源的序列，然后通过重组将染色体区域重复整合到附加体中，导致附加体的连续扩大。附加体模型显示，ecDNA可由环状DNA的切除产生，并通过复制或重组扩大。附加体也可以自我复制成多个拷贝，然后重新组装以产生更大的ecDNA。

图1. ecDNA的生物发生、扩增和分布

ecDNA枢纽是一种新的基因调控结构

真核生物染色体的三维结构以不同的长度尺度有序排列，包括染色体域、A区和B区、拓扑关联结构域 (TADs)和染色质环。增强子和启动子之间的相互作用可以跨越几十到几百个碱基。增强子与靶基因之间的顺式相互作用通常在同一DNA分子的TADs中发现。然而，在结直肠癌细胞中，可有多达数百个ecDNA簇可位于细胞核中；因此，在被称为ecDNA hub的间期中，多个ecDNA可以相互作用，形成协同作用 (图2G)。ecDNA枢纽代表染色体作为遗传组织单位的对应物。研究表明，在G1期和M期，这些ecDNA簇不是随机分布的，而是局限在核外周。通常认为，核外周被转录抑制，而ecDNA是转录活性的。因此，其周边定位是违反直觉的，需要进一步研究其可能的功能意义。与由同一DNA分子上的调控元件激活的基因线性阵列相比，Huang等人证明ecDNA枢纽允许通过空间邻近的组合启动子和增强子元件进行分子间基因激活。此外，在CRC细胞中，ecDNA枢纽在间期浓缩，但在有丝分裂期间分散，这与染色体的情况有根本区别。在有丝分裂期间检测到ecDNA枢纽，在包括CRC在内的各种类型的癌症中有动态的大小变化，这表明它们在DNA分区期间不稳定 (图2)。

图2. ecDNA在肿瘤发生中的作用

ecDNA靶向治疗结直肠癌

ecDNA生物发生的靶点

ecDNA可以在各种类型癌症患者的肿瘤样本中发现。到目前为止，仍然缺乏可以检测结直肠癌患者ecDNA生物发生的生物标志物，对ecDNA潜在的治疗和诊断靶点了解较少。潜在靶点可能涉及ecDNA发生中的酶活性或扩增癌基因表达的抑制。ecDNA中的环状连接序列也可作为药物靶点。抑制ecDNA的生物发生可能是CRC患者的一种潜在策略。在CRC细胞中，染色体破碎后的DNA修复，以及其他DNA断裂活动，可导致ecDNA的形成。染色体破碎更常见于染色体不稳定细胞，如MSI-H CRC，这些细胞伴有较高的染色体分离错误或p53检查点缺陷发生率。因此，TP53是染色体破碎的易感因素。此外，PARP抑制剂破坏DNA损伤修复过程 (如同源重组)可抑制ecDNA的频率，因此可能是一个潜在的治疗靶点 (图3A)。同时，在DNA损伤修复过程中，NHEJ参与了结直肠癌细胞ecDNA的形成，而DNA依赖的蛋白激酶抑制剂可以破坏这一过程。DNA-PKcs抑制剂可能不利于从ecDNA扩增中获益的肿瘤 (图3A)。治疗后ecDNA的频率显著降低。这一策略与其他DNA损伤剂以及放疗联合使用时可能更有效。此外，DNA超螺旋在转录过程中发生，需要拓扑异构酶来解决。拓扑异构酶II在DNA损伤修复过程中也会导致双链断裂，从而可能产生ecDNA。ecDNA和RNA聚合酶的重叠也意味着拓扑异构酶II活性高，可形成双链断裂，作为重新整合到线性染色体和其他ecDNA分子的机制 (图3A)。

图3. 靶向ecDNA用于结直肠癌治疗

结论及展望

结直肠癌 (CRC)的基因组不是静态的，而是动态的，ecdna的功能可能与它们的大小以及基因或调控元件有关。ecDNA的特征和图谱更新了我们对各种类型癌症 (包括CRC)的许多基本认识。最初，ecDNA上的癌基因扩增是肿瘤生长和耐药的常见驱动力，导致患者预后较差。其次，ecDNA为CRC的异质性和基因组进化提供了一个加速工具。此外，由于ecDNA的结构和动力学，癌基因在ecDNA上的表达更为复杂。在染色体增强子跨不同ecDNA分子的反式调节中聚集的环状结构和ecDNA枢纽的形成。对ecDNA当前分子分析的应用揭示了癌症基因组重塑和进化的新基础。ecDNA属于达尔文进化论的三大支柱 (遗传、变异和选择)，其方式与线性染色体的贡献不同。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41388-023-02640-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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