染色體外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）是一種獨(dú)立于染色體存在的環(huán)狀DNA分子，在30-50%的惡性腫瘤患者中被檢測(cè)到。盡管早在1965年研究人員就在神經(jīng)母細(xì)胞瘤中觀察到其存在（當(dāng)時(shí)稱為雙微體），但受限于技術(shù)手段，其存在的生物學(xué)意義長(zhǎng)期未被闡明。研究發(fā)現(xiàn)，ecDNA可攜帶完整的致癌基因（如MYC、EGFR）及其增強(qiáng)子序列。當(dāng)這些基因從染色體脫落并環(huán)化形成ecDNA后，原本的表觀遺傳修飾（如DNA甲基化和組蛋白修飾）記憶丟失，導(dǎo)致癌基因的異常激活（圖1）。

圖1 ecDNA上抑制性組蛋白丟失，致癌基因表達(dá)增加

臨床證據(jù)表明，攜帶ecDNA的腫瘤患者往往表現(xiàn)出更高的惡性程度、更強(qiáng)的治療抵抗和更差的臨床預(yù)后。因此，靶向ecDNA的抗腫瘤策略（如干擾其復(fù)制與維持、調(diào)控表觀遺傳重塑）具有重要治療潛力。然而，ecDNA的復(fù)制與維持機(jī)制、表觀遺傳重塑及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的精確作用，仍是當(dāng)前研究的核心挑戰(zhàn)。解決這些問題將為開發(fā)新型抗癌療法提供關(guān)鍵突破口。

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、合成生物學(xué)研究所研究員甘海云團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表題為Extrachromosomal DNA replication and maintenance couple with DNA damage pathway in tumors的研究論文，揭示了ecDNA維持與DNA損傷應(yīng)答之間的雙向調(diào)控關(guān)系，為理解ecDNA在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制提供了新視角，也為開發(fā)靶向ecDNA的抗腫瘤治療策略奠定了重要理論基礎(chǔ)。這一突破性發(fā)現(xiàn)為解決上述核心挑戰(zhàn)提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

為突破ecDNA復(fù)制與維持機(jī)制研究的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)采用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，成功構(gòu)建了穩(wěn)定攜帶EGFR基因完整拷貝的ecDNA細(xì)胞系，以及創(chuàng)新性地結(jié)合體外人工染色體組裝技術(shù)，構(gòu)建了模擬臨床患者來源的人工ecDNA分子。解決了該領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵難題--缺乏嚴(yán)格匹配的ecDNA陽性/陰性對(duì)照細(xì)胞模型。通過用核苷類似物5-乙炔基-2’脫氧尿嘧啶核苷 (EdU) 處理上述基因工程細(xì)胞系及其他多種ecDNA腫瘤模型，研究人員獲得了ecDNA在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行自主復(fù)制的直接證據(jù)。

為了深入解析ecDNA的復(fù)制與維持機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用改進(jìn)的新生鏈蛋白質(zhì)富集技術(shù)，系統(tǒng)鑒定了與ecDNA復(fù)制相關(guān)的蛋白質(zhì)組。分析結(jié)果顯示，在攜帶ecDNA的細(xì)胞中，DNA復(fù)制核心機(jī)器（如MCM復(fù)合物）和表觀遺傳調(diào)控因子（包括組蛋白修飾酶和染色質(zhì)重塑復(fù)合物）顯著富集于新生DNA鏈上。值得注意的是，研究意外發(fā)現(xiàn)DNA損傷應(yīng)答相關(guān)蛋白在ecDNA復(fù)制位點(diǎn)呈現(xiàn)異常高水平的富集。通過一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓δ軐?shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)：與對(duì)照組相比，攜帶ecDNA的細(xì)胞表現(xiàn)出更嚴(yán)重的基因組不穩(wěn)定特征，特別是DNA雙鏈斷裂（DSB）水平顯著升高。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，ATM激酶介導(dǎo)的DNA損傷應(yīng)答通路在ecDNA陽性細(xì)胞中被特異性激活。這些發(fā)現(xiàn)揭示了ecDNA復(fù)制過程中存在獨(dú)特的分子特征：一方面需要表觀遺傳因子的精細(xì)調(diào)控，另一方面又不可避免地引發(fā)DNA損傷修復(fù)通路的激活。

基于ecDNA松散的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，研究團(tuán)隊(duì)提出假說：ecDNA在細(xì)胞周期動(dòng)態(tài)變化過程中可能成為基因組不穩(wěn)定的重要來源。通過多維度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)ecDNA細(xì)胞中異常升高的DNA損傷水平主要源于兩個(gè)關(guān)鍵生物學(xué)過程：ecDNA的異常活躍復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。這些過程顯著激活了ATM介導(dǎo)的DNA損傷應(yīng)答（DDR）通路。在分子機(jī)制層面，研究揭示了ecDNA上存在獨(dú)特的拓?fù)洚悩?gòu)酶切割復(fù)合物（TOPCC）異常積累現(xiàn)象。這是由于ecDNA上高密度的復(fù)制/轉(zhuǎn)錄復(fù)合體與TOPCC發(fā)生持續(xù)性沖突所致，這種沖突最終導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂（DSB）的累積。

值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)ecDNA的穩(wěn)定維持高度依賴特定的DNA損傷修復(fù)途徑。通過系統(tǒng)性篩選，研究團(tuán)隊(duì)采用基因敲低和小分子抑制等手段，對(duì)同源重組修復(fù)（HR）、經(jīng)典非同源末端連接（NHEJ）和替代性非同源末端連接（alt-NHEJ）三條主要修復(fù)通路進(jìn)行了功能分析。令人意外的是，單獨(dú)或同時(shí)阻斷HR和NHEJ通路對(duì)ecDNA水平影響有限，而特異性抑制alt-NHEJ則能顯著降低細(xì)胞內(nèi)ecDNA的豐度。深入機(jī)制研究表明，alt-NHEJ的缺失會(huì)在細(xì)胞周期特定階段阻礙DSB修復(fù)，進(jìn)而影響ecDNA的環(huán)化過程。這導(dǎo)致ecDNA要么重新整合回染色體，要么被細(xì)胞清除。這一發(fā)現(xiàn)不僅闡明了ecDNA維持的核心分子機(jī)制，也為靶向ecDNA的抗腫瘤治療提供了新的策略方向：特異性干擾alt-NHEJ通路可能成為選擇性清除腫瘤細(xì)胞中ecDNA的有效手段。

患者臨床數(shù)據(jù)表明，降低細(xì)胞內(nèi)ecDNA含量可能有助于腫瘤的治療。本研究發(fā)現(xiàn)DDR尤其是alt-NHEJ參與了ecDNA含量的維持，并解析了其可能的機(jī)制。接著研究團(tuán)隊(duì)探討了基于這些研究成果來治療腫瘤的可行性，發(fā)現(xiàn)使用攜帶ecDNA的細(xì)胞對(duì)DDR關(guān)鍵因子如ATM、CHK、TOP1等抑制劑更加敏感，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。該研究指出，靶向ecDNA維持過程很有可能成為攜帶ecDNA腫瘤的通用治療手段。

本研究系統(tǒng)闡明了腫瘤細(xì)胞中ecDNA的獨(dú)特生物學(xué)特性：其固有的不穩(wěn)定性與DNA損傷應(yīng)答（DDR）通路介導(dǎo)的穩(wěn)定性之間形成了動(dòng)態(tài)平衡體系。這一突破性發(fā)現(xiàn)揭示了ecDNA通過平衡態(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)——基于ecDNA分子特征開發(fā)的靶向藥物或?qū)⒊蔀?0-50% ecDNA陽性腫瘤患者的精準(zhǔn)治療選擇。

值得關(guān)注的是，本研究揭示的環(huán)狀DNA復(fù)制維持機(jī)制可能拓展了腫瘤生物學(xué)的認(rèn)知邊界。例如，研究提示HPV等DNA病毒在宿主細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制過程可能同樣依賴于類似的DDR通路調(diào)控模式，該發(fā)現(xiàn)不僅為病原體環(huán)狀DNA復(fù)制機(jī)制研究開辟了新方向，更為抗病毒治療策略的研發(fā)提供了重要理論依據(jù)。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員甘海云為論文的唯一通訊作者。助理研究員康星、周嘉琦、田聰聰、張洋、邱玲瑜，博士生李欣然、深圳大學(xué)博士生鄧志文為論文的共同第一作者。深圳大學(xué)劉向宇、朱騫教授在本研究中給予了大力支持和提出了寶貴意見。

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00414-3

PI及課題組簡(jiǎn)介

甘海云博士，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。近年來研究成果發(fā)表在

Cell、Science、Nature Medicine、Nature Genetics、Molecular Cell

簡(jiǎn)歷投遞（ 有意者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷等材料發(fā)至 ）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或掃描二維碼投遞簡(jiǎn)歷

制版人： 十一

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

戰(zhàn)略合作伙伴

（*排名不分先后）

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【非原創(chuàng)文章】本文著作權(quán)歸文章作者所有，歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載，作者擁有所有法定權(quán)利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

會(huì)議資訊

近期直播推薦