尋找治癌“靈丹妙藥” 染色體外環狀DNA或是關鍵所在

實習記者 于紫月

DNA幾乎是無人不知、無人不曉。作為我們的遺傳物質，人體內大部分DNA都緊密折疊在細胞核中的染色體里。癌癥，是全人類面臨的惡性疾病。數十年來，科學家們一直試圖從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目標。

近日，來自美國路德維希癌癥研究所、德國夏洛蒂醫科大學等機構的研究人員卻先后發現，位于染色體外的環狀DNA在癌癥的發生、發展中扮演著更為重要的角色。相關研究成果在《自然》《自然·遺傳學》等國際權威期刊一經發表，迅速引起全球關注，甚至有人預言：環狀DNA才是未來癌癥治療的重點。

環狀DNA和染色體究竟有什么聯系？它又是怎樣導致癌癥并縱容腫瘤發展的？

環狀DNA不止癌中有

“環狀DNA和染色體上DNA一樣，都是一種三級結構。”哈爾濱醫科大學遺傳學研究室副研究員朱靜在接受科技日報記者采訪時表示，DNA中的4種堿基排列順序被稱作一級結構，兩條多核苷酸鏈反向平行纏繞生成的雙螺旋結構是二級結構，而雙螺旋結構進一步盤曲、纏繞就形成了染色體等DNA的三級結構。

“從整個自然界看，環狀DNA是普遍存在的。”朱靜介紹，例如原核生物的遺傳物質、細菌DNA以及其胞質中的質粒DNA都呈現環狀，即使在人類等高等生物中，也同樣存在大量環狀DNA。可見，染色體外的環狀DNA是一個較為龐大的“家族”，其中，“個頭”較大（大小從幾百kb到數Mb堿基）、主要存在于癌細胞中的環狀DNA（ecDNA，如雙微體等）是學者們研究的重點之一。前文提及的新研究中的研究對象就是此類環狀DNA。一般認為，人體內的ecDNA由染色體上脫離的片段經過重組和首尾相連環化而成。

記者了解到，早在1965年，科學家就在人體腫瘤細胞中發現了環狀DNA，當時科學家們稱其為雙微體。此后的研究證明，雙微體可以攜帶癌基因。2017年，美國加州大學圣迭戈分校保羅·米切爾教授領導的課題組對17種腫瘤、2000多種細胞系進行測序分析，發現超過一半腫瘤細胞中存在ecDNA，而且不少都攜帶致癌基因。

比較大的環狀DNA（ecDNA）主要存在于腫瘤細胞中，比較小的環狀DNA則廣泛存在。2018年3月，美國哥本哈根大學的研究團隊從16名健康男性身上分離并測序了約10萬種來自肌肉和血液白細胞樣本的環狀DNA，它們大小相差萬倍，部分可以容納一個或多個可以表達的基因。

研究人員計算發現，每100個白細胞核含3.5—5.6個不同的環狀DNA。而在肌肉組織中，每100個細胞含0.85—0.93個不同的環狀DNA。這樣的結果表明，環狀DNA絕非癌細胞獨有，而是廣泛存在于人體組織中。不過，相比當年發現的雙微體，這些健康細胞中的環狀DNA要小得多。

擴增+環化帶來致癌性

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

“此前對ecDNA致癌的研究主要停留在它的擴增性上。”朱靜介紹，ecDNA沒有染色體上的著絲粒，所以當細胞分裂時它不會像染色體一樣平均分配，而是隨機進入子細胞中。這種隨機性會帶來一些細胞中ecDNA數量的持續上升，進而導致ecDNA上的基因表達量提高，這就是所謂的基因擴增。眾所周知，正常人體細胞的DNA應該集中在23對染色體中，過多的ecDNA會影響基因組的穩定性，而大量ecDNA表達會使細胞偏離正常軌道。如果擴增的是攜帶致癌基因的ecDNA，就可能會導致癌癥的發生和演進。

“最近的研究則超越了這種擴增性，加深了對ecDNA本身環化的認識。”朱靜表示，一方面，DNA片段從染色體上脫離再重新結合為ecDNA時，可能使DNA序列發生改變，細胞基因組的復雜性增強，同時擴增的增強子等序列可以因為拓撲學構象改變而更有機會發揮調控功能，并且ecDNA可以呈現更松散的結構，基因更易于表達；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，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，是整個腫瘤基因轉錄組當中，表達水平最高的基因之一。”他們使用亞顯微結構成像、光學圖譜、全基因組測序等多種手段，清晰展示出ecDNA的結構，并且實驗證實了“大量轉錄的癌基因mRNA，就是直接來自ecDNA”。

此外，研究人員還發現，由于細胞分裂中ecDNA分配存在隨機性，不同癌細胞之間ecDNA含量差異巨大。這提高了癌細胞的多樣性，使其抗藥能力上升。因此，如果是ecDNA擴增導致的癌癥，其治療效果將更為糟糕。

無獨有偶，2019年12月，夏洛蒂醫科大學的研究團隊在《自然·遺傳學》雜志發文，他們繪制出了兒童癌癥中ecDNA精細化圖譜，闡述了染色體外環狀DNA誘發兒童癌癥的過程。

測序技術加深對ecDNA作用機制認識

“近段時間以來，在ecDNA的研究領域，國際上接連取得一些突破，很大程度上得益于生物實驗技術的進步。”朱靜認為，近期的研究比較集中地深入到ecDNA是否有特殊的表達和調控機制上，是ecDNA研究發展的必然趨勢之一，在研究目的上符合學界對ecDNA相關特征的疑問，但此前沒有合適的技術手段。隨著測序技術，如高通量測序技術及其衍生技術（包括DNA水平的二代測序、三代測序、轉錄組水平測序和表觀調控組學研究等），以及生物信息學分析等技術的發展成熟和成本降低，進一步深入研究ecDNA成為可能。

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

“不過，現有的突破仍然停留在ecDNA的作用機制上，雖然為臨床應用奠定了一定基礎，進一步證明了ecDNA在治癌領域的重要性，但是距離臨床應用還需要較多的工作。”朱靜表示，怎樣阻止ecDNA的產生以及怎樣加速消除ecDNA，這些問題仍然沒有解決。ecDNA的產生機制比較復雜，涉及多種通路，難以研制有針對性的藥物，其他阻斷措施既可能沒有效果，也可能影響正常的細胞功能。同時，雖然曾有學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降低ecDNA上基因的擴增和表達，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。

朱靜認為，如果我們可以證明ecDNA上的某個基因和某種癌癥相互關聯，就可以將它的擴增作為癌癥檢測標記物。目前在部分腫瘤中，確實已經發現一些反復出現的ecDNA形式的擴增序列。但ecDNA在起源上存在較強的“異質性”，不同個體間可以有較大的差異，在走向應用前還需要更大規模的臨床研究和分析統計。