eccDNA基本内容介绍

关于染色体外环状DNA (Extrachromosomal circular DNA, eccDNA) 也属于最近研究的一个新的热点。eccDNA的功能也在不断的研究。最近刚刚发表了一篇关于eccDNA研究的综述。基于这个综述也就简单来说一下关于eccDNA情况。

下面主要是综述的简单介绍。如果想要了解详细的内容建议还是自己读一下相关文献。

背景介绍

健康的正常人体细胞内除了线粒体基因之外，所有其他的基因都位于23对染色体上。每个染色体的基因是以线性的方式进行排列的。除了线性的DNA，在肿瘤等其他疾病相关还可以观察到染色体外环状DNA (Extrachromosomal circular DNA, eccDNA)。eccDNA主要是由于染色体线性的DNA断裂来形成的环状DNA。所以eccDNA上的基因只会增加人体某些基因的拷贝，而不会产生新的基因。eccDNA 的大小可以从小于 100 bp 到几兆碱基不等。基于不同的断裂位置，eccDNA可以包括从小的非编码区到整个基因的任何元素。

eccDNA命名和定义

自 1960 年代以来，在不同时期以不同的名称描述了染色体外环状 DNA (eccDNA)。这里总结了长久以来关于eccDNA的所有的命名。目前关于eccDNA的描述主要包括：eccDNA, Covalently closed circular DNA， Small polydisperse circular DNA (spcDNA)， microDNA, Telomeric circles, DMs, Episomes以及ecDNA。

其中ecDNA是随着最近基因二代测序的研究，研究人员在肿瘤中发现了的巨型碱基对的eccDNA，进而也就命名为ecDNA。具有癌基因的 ecDNA 在多种肿瘤和17 种不同癌症类型的 46% 的细胞系中均有报道。

在下面的介绍当中当中，作者用eccDNA 作为所有先前定义的真核、非线粒体和非质粒染色体外环状 DNA 类别的通用术语。ecDNA 将用作具有癌基因的大型 eccDNA 的癌症特异性子集的术语。

eccDNA的形成和维护

eccDNA的形成

eccDNA的形成通常涉及对染色体 DNA 的损伤和不同 DNA 修复途径的错误行为。其中主要包括三个途径。

1. 双链断裂 (double-strand breaks, DSBs)：同一染色体中的两个 DSB 会导致一段 DNA 的缺失。这可以通过细胞中活跃的 DNA 修复机制来循环。形成的eccDNA可以进一步进化；例如，与其他 eccDNA 融合以生成由非连续 DNA 片段组成的嵌合 eccDNA。
2. 染色体碎裂 (Chromothripsis): 染色体碎裂是整个染色体破碎成更小的片段。细胞 DNA 修复机制会尝试修复它，进而导致许多错误，包括可能形成 ecDNA。
3. 断裂-融合-桥接 (breakage–fusion–bridge, BFB): BFB 循环始于端粒的丢失（断裂），缺乏端粒的染色单体末端可以融合形成双着丝粒染色体。在后期，双着丝粒染色体被拉开形成染色单体桥，该桥断裂并产生各种染色体畸变，包括 ecDNA。

eccDNA的进化和复制

细胞内形成的eccDNA并不是一成不变的。不同的eccDNA可以随着时间的进展融合成更大的eccDNA。较小的 eccDNA 的逐渐融合被认为是 eccDNA 的形成机制。在其进化的后期，ecDNA 可以整合到染色体中以创建基因扩增区域，称为同源染色区域 (homogeneously staining regions, HSR)

正常的细胞有丝分裂中，染色体可以均匀在两个细胞当中分布。而 ecDNA分子每个细胞周期当中也可以复制成两份，但是正常染色体不同。eccDNA由于缺乏可识别的着丝粒，因此它们不能被均匀地分离。eccDNA在子代细胞当中的分布更遵循二项式随机分布或高斯分布。

这种不均匀的分离会导致具有癌基因的 ecDNA 分子在某一类细胞亚群中积累，加速癌症进展，并增加肿瘤异质性与含有越来越多的癌基因拷贝数的子细胞。

ecDNA在肿瘤当中复制模型

图中EFGR形成的两个ecDNA。在第一次基因复制的时候，首先形成四个ecDNA。由于不均匀分布，所以导致子代的细胞一个含有1个ecDNA另外一个则含有3个ecDNA。随着复制的不断进行，也就导致有的细胞含有的EGFR相关的ecDNA越来越多。有的细胞当中甚至包括了20+的EGFR ecDNA。这也就导致这类细胞更难以控制。

eccDNA的检测和功能研究

在没有NGS的时候，eccDNA主要的检测方法主要是通过Fish来进行检测。有了NGS之后，基于全基因组的测序（whole genome sequence, WGS）可以检测eccDNA。除了传统的WGS，Circle-Seq也是一种专门检测eccDNA的测序方法。另外，由于二代测序短读长的限制性，三代测序的长度长可以更可靠地识别含有重复和嵌合的 eccDNA。

而在关于eccDNA的细胞实验当中，目前可以通过CRISPR-Cas9系统来进行后续的功能研究。

ecDNA在肿瘤当中的作用

ecDNA在肿瘤当中的作用主要是通过包含癌基因的ecDNA影响肿瘤的。包含癌基因形成的ecDNA可以导致这些基因拷贝数增加，进而也导致基因表达增加。另外由于ecDNA的复制的不均匀分布，随着时间的进展会导致某一个基因癌基因拷贝数和基因表达更多。

除了影响癌症的进展。对于一些耐药基因的ecDNA也可以影响肿瘤的耐药。