尋找治癌“靈丹妙藥” 染色體外環(huán)狀DNA或是關(guān)鍵所在

實(shí)習(xí)記者 于紫月

DNA幾乎是無人不知、無人不曉。作為我們的遺傳物質(zhì)，人體內(nèi)大部分DNA都緊密折疊在細(xì)胞核中的染色體里。癌癥，是全人類面臨的惡性疾病。數(shù)十年來，科學(xué)家們一直試圖從DNA中找到癌癥的起因和治癌的“靈丹妙藥”。作為DNA的聚居地，染色體自然是研究的重點(diǎn)目標(biāo)。

來自美國(guó)路德維希癌癥研究所、德國(guó)夏洛蒂醫(yī)科大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員卻先后發(fā)現(xiàn)，位于染色體外的環(huán)狀DNA在癌癥的發(fā)生、發(fā)展中扮演著更為重要的角色。相關(guān)研究成果在《自然》《自然·遺傳學(xué)》等國(guó)際權(quán)威期刊一經(jīng)發(fā)表，迅速引起全球關(guān)注，甚至有人預(yù)言：環(huán)狀DNA才是未來癌癥治療的重點(diǎn)。

環(huán)狀DNA和染色體究竟有什么聯(lián)系？它又是怎樣導(dǎo)致癌癥并縱容腫瘤發(fā)展的？

環(huán)狀DNA不止癌中有

“環(huán)狀DNA和染色體上DNA一樣，都是一種三級(jí)結(jié)構(gòu)。”哈爾濱醫(yī)科大學(xué)遺傳學(xué)研究室副研究員朱靜在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，DNA中的4種堿基排列順序被稱作一級(jí)結(jié)構(gòu)，兩條多核苷酸鏈反向平行纏繞生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)是二級(jí)結(jié)構(gòu)，而雙螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步盤曲、纏繞就形成了染色體等DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

“從整個(gè)自然界看，環(huán)狀DNA是普遍存在的。”朱靜介紹，例如原核生物的遺傳物質(zhì)、細(xì)菌DNA以及其胞質(zhì)中的質(zhì)粒DNA都呈現(xiàn)環(huán)狀，即使在人類等高等生物中，也同樣存在大量環(huán)狀DNA。可見，染色體外的環(huán)狀DNA是一個(gè)較為龐大的“家族”，其中，“個(gè)頭”較大（大小從幾百kb到數(shù)Mb堿基）、主要存在于癌細(xì)胞中的環(huán)狀DNA（ecDNA，如雙微體等）是學(xué)者們研究的重點(diǎn)之一。前文提及的新研究中的研究對(duì)象就是此類環(huán)狀DNA。一般認(rèn)為，人體內(nèi)的ecDNA由染色體上脫離的片段經(jīng)過重組和首尾相連環(huán)化而成。

記者了解到，早在1965年，科學(xué)家就在人體腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了環(huán)狀DNA，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們稱其為雙微體。此后的研究證明，雙微體可以攜帶癌基因。2017年，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校保羅·米切爾教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對(duì)17種腫瘤、2000多種細(xì)胞系進(jìn)行測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)超過一半腫瘤細(xì)胞中存在ecDNA，而且不少都攜帶致癌基因。

比較大的環(huán)狀DNA（ecDNA）主要存在于腫瘤細(xì)胞中，比較小的環(huán)狀DNA則廣泛存在。2018年3月，美國(guó)哥本哈根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)從16名健康男性身上分離并測(cè)序了約10萬種來自肌肉和血液白細(xì)胞樣本的環(huán)狀DNA，它們大小相差萬倍，部分可以容納一個(gè)或多個(gè)可以表達(dá)的基因。

研究人員計(jì)算發(fā)現(xiàn)，每100個(gè)白細(xì)胞核含3.5—5.6個(gè)不同的環(huán)狀DNA。而在肌肉組織中，每100個(gè)細(xì)胞含0.85—0.93個(gè)不同的環(huán)狀DNA。這樣的結(jié)果表明，環(huán)狀DNA絕非癌細(xì)胞獨(dú)有，而是廣泛存在于人體組織中。不過，相比當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的雙微體，這些健康細(xì)胞中的環(huán)狀DNA要小得多。

擴(kuò)增+環(huán)化帶來致癌性

“事實(shí)上，類似雙微體等大型ecDNA在人體中是非常罕見的，一般只在癌細(xì)胞和衰老細(xì)胞中存在，其中癌細(xì)胞中最為常見。”朱靜談到，因此，專家們一直認(rèn)為，大型ecDNA和癌癥是密切相關(guān)的。

“此前對(duì)ecDNA致癌的研究主要停留在它的擴(kuò)增性上。”朱靜介紹，ecDNA沒有染色體上的著絲粒，所以當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)它不會(huì)像染色體一樣平均分配，而是隨機(jī)進(jìn)入子細(xì)胞中。這種隨機(jī)性會(huì)帶來一些細(xì)胞中ecDNA數(shù)量的持續(xù)上升，進(jìn)而導(dǎo)致ecDNA上的基因表達(dá)量提高，這就是所謂的基因擴(kuò)增。眾所周知，正常人體細(xì)胞的DNA應(yīng)該集中在23對(duì)染色體中，過多的ecDNA會(huì)影響基因組的穩(wěn)定性，而大量ecDNA表達(dá)會(huì)使細(xì)胞偏離正常軌道。如果擴(kuò)增的是攜帶致癌基因的ecDNA，就可能會(huì)導(dǎo)致癌癥的發(fā)生和演進(jìn)。

“最近的研究則超越了這種擴(kuò)增性，加深了對(duì)ecDNA本身環(huán)化的認(rèn)識(shí)。”朱靜表示，一方面，DNA片段從染色體上脫離再重新結(jié)合為ecDNA時(shí)，可能使DNA序列發(fā)生改變，細(xì)胞基因組的復(fù)雜性增強(qiáng)，同時(shí)擴(kuò)增的增強(qiáng)子等序列可以因?yàn)橥負(fù)鋵W(xué)構(gòu)象改變而更有機(jī)會(huì)發(fā)揮調(diào)控功能，并且ecDNA可以呈現(xiàn)更松散的結(jié)構(gòu)，基因更易于表達(dá)；另一方面，ecDNA可能再次回插到染色體中，在此過程中可能激活致癌基因或者讓抑癌基因的停止表達(dá)，這些都可能帶來癌癥。

2019年11月，路德維希癌癥研究所吳思涵等人在《自然》雜志撰文指出，“ecDNA上的癌基因，是整個(gè)腫瘤基因轉(zhuǎn)錄組當(dāng)中，表達(dá)水平最高的基因之一。”他們使用亞顯微結(jié)構(gòu)成像、光學(xué)圖譜、全基因組測(cè)序等多種手段，清晰展示出ecDNA的結(jié)構(gòu)，并且實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“大量轉(zhuǎn)錄的癌基因mRNA，就是直接來自ecDNA”。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，由于細(xì)胞分裂中ecDNA分配存在隨機(jī)性，不同癌細(xì)胞之間ecDNA含量差異巨大。這提高了癌細(xì)胞的多樣性，使其抗藥能力上升。因此，如果是ecDNA擴(kuò)增導(dǎo)致的癌癥，其治療效果將更為糟糕。

無獨(dú)有偶，2019年12月，夏洛蒂醫(yī)科大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然·遺傳學(xué)》雜志發(fā)文，他們繪制出了兒童癌癥中ecDNA精細(xì)化圖譜，闡述了染色體外環(huán)狀DNA誘發(fā)兒童癌癥的過程。

測(cè)序技術(shù)加深對(duì)ecDNA作用機(jī)制認(rèn)識(shí)

“近段時(shí)間以來，在ecDNA的研究領(lǐng)域，國(guó)際上接連取得一些突破，很大程度上得益于生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。”朱靜認(rèn)為，近期的研究比較集中地深入到ecDNA是否有特殊的表達(dá)和調(diào)控機(jī)制上，是ecDNA研究發(fā)展的必然趨勢(shì)之一，在研究目的上符合學(xué)界對(duì)ecDNA相關(guān)特征的疑問，但此前沒有合適的技術(shù)手段。隨著測(cè)序技術(shù)，如高通量測(cè)序技術(shù)及其衍生技術(shù)（包括DNA水平的二代測(cè)序、三代測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組水平測(cè)序和表觀調(diào)控組學(xué)研究等），以及生物信息學(xué)分析等技術(shù)的發(fā)展成熟和成本降低，進(jìn)一步深入研究ecDNA成為可能。

“上述研究成果都充分利用了這些先進(jìn)技術(shù)。”朱靜談到，例如路德維希癌癥研究所的研究就是采用“ATAC-seq（一種高通量測(cè)序技術(shù)）”等方法證明了ecDNA相比染色體DNA更易表達(dá)，這是該技術(shù)首次用于這一領(lǐng)域。

“不過，現(xiàn)有的突破仍然停留在ecDNA的作用機(jī)制上，雖然為臨床應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)，進(jìn)一步證明了ecDNA在治癌領(lǐng)域的重要性，但是距離臨床應(yīng)用還需要較多的工作。”朱靜表示，怎樣阻止ecDNA的產(chǎn)生以及怎樣加速消除ecDNA，這些問題仍然沒有解決。ecDNA的產(chǎn)生機(jī)制比較復(fù)雜，涉及多種通路，難以研制有針對(duì)性的藥物，其他阻斷措施既可能沒有效果，也可能影響正常的細(xì)胞功能。同時(shí)，雖然曾有學(xué)者使用羥基脲等藥物加速ecDNA的排出以及用基因敲減等技術(shù)降低ecDNA上基因的擴(kuò)增和表達(dá)，并且在一定程度上起到了抑制腫瘤的作用，但這些方式仍處于研究之中。

朱靜認(rèn)為，如果我們可以證明ecDNA上的某個(gè)基因和某種癌癥相互關(guān)聯(lián)，就可以將它的擴(kuò)增作為癌癥檢測(cè)標(biāo)記物。目前在部分腫瘤中，確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些反復(fù)出現(xiàn)的ecDNA形式的擴(kuò)增序列。但ecDNA在起源上存在較強(qiáng)的“異質(zhì)性”，不同個(gè)體間可以有較大的差異，在走向應(yīng)用前還需要更大規(guī)模的臨床研究和分析統(tǒng)計(jì)。