Nature：最强癌基因找到了，居然不在染色体上

癌症难治，罪魁祸首竟然是你！

在癌症治疗领域，曾经存在过三次革命：

第一次革命：化疗； 第二次革命：靶向疗法； 第三次革命：免疫疗法。

如今，随着一篇Nature论文的发布，又兴起了“第四次革命”的说法，主角居然是染色体外DNA (ecDNA) 。

虽然上世纪60年代便有人发现了这种环状DNA的存在，也知道它会携带癌基因；但从前没人直接观察过ecDNA、没人指出它对肿瘤的生长有多关键。

而Nature发布的新研究中，科学家终于首次直接观察了ecDNA (不止基因测序) ，并证明了它的重要性：

ecDNA上的癌基因，是肿瘤的整个基因转录组当中，表达水平最高的那部分基因。而染色体上癌基因的表达相对较低。

ecDNA上的癌基因之所以比染色体上的癌基因更能发挥作用，主要是因为不像染色体那样受到严格保护，它更容易读取，能快速扩增，具有侵略性。从前，癌症科学家专注于染色体，而新的研究有助于改变他们对肿瘤的认知。

研究成果来自路德维希癌症研究所 (Ludwig Cancer Institute) 和加州大学圣地亚哥分校，论文的一作是位名叫吴思涵的华人学者。

研究结果一经公布，便引起了广泛关注，在知乎热榜上已有600+万的热度。

网友点评，这次发现或许将带来癌症治疗领域的第四次革命。

一作吴思涵也站了出来，亲自对这个话题下读者的种种问题答疑解惑。

今天，量子位就带大家领略一下这篇重要的研究。

更强大的癌基因

首先介绍一下，ecDNA不是原本就长在染色体之外，而是在细胞有丝分裂中期，从染色体上脱落下来成环的DNA分子，常常带有癌基因。这是已有的研究成果。

从前，科学家们大多是依靠基因测序，来观察DNA里的癌基因。

一门心思找出那些会促发癌症的基因，却忽略了基因的物理位置，在癌症中的意义。

而这个问题很重要，它会影响人们对癌症原理的理解，也会影响人们寻找治疗方案的思路。

既然不能只用基因测序，那还要怎么办？

首先，团队把亚显微结构成像 (Ultrastructrual Imaging) 、光学匹配 (Optical Mapping) 、全基因组测序 (WGS) 等等搭配在一起，清晰展现出了环状DNA的形态，就是黄色标注部分：

虽然，1960年代便有科学家发现过ecDNA的存在，也提出它是环状DNA，但这篇论文给出了完整的证明，前人没有做到过。

而在了解结构的同时，也可以发现ecDNA上普遍带有癌基因。

ecDNA上的癌基因和染色体DNA上的癌基因，都会被转录，从而推动癌症病情的发展。

但由于两类癌基因所在的位置不同，发挥的作用也无法等同。

下图可以看出，环状DNA比染色体上的线性DNA，扩增能力要强许多，也就更有能力支持癌基因的表达：

也就是说，ecDNA能产生大量的副本。

结合同一支团队2017年发表的Nature研究，有丝分裂当中副本不会平均分到两个细胞里，而是随机分配。这就导致不同细胞之间，ecDNA含量差异巨大，副本越多差异越大。肿瘤细胞有了充足的多样性，便能更好地应对环境变化。

这里说的环境变化，很大程度上是指患者接受了化疗/放疗等等。换句话说，多样性可以支持肿瘤快速进化，产生抗药性。这也是晚期癌症难治的原因之一。

所以，癌基因大量扩增之后，就能大量表达么？

在刚刚发表的论文里，团队也用实验证明，癌细胞里表达水平更高的那些癌基因，就是来自ecDNA身上的癌基因：

这是测序结果，上面是癌基因转录的mRNA序列，下面是癌基因本身的DNA序列。左边黄色部分，是高扩增高转录的ecDNA，右边是低扩增低转录的染色体DNA。

如此一来，高扩增与高转录 (高表达) 之间的因果关系，得到了证明。也就是说，比起染色体上的癌基因，ecDNA上的癌基因有更强的力量，推动癌症病情向前发展。

那么问题来了，ecDNA毕竟是从染色体上脱落的，为什么染色体上的癌基因，就没有那么大的威力呢？

团队说，这是因为ecDNA的开放性比染色体要强很多。

一是测序实验证明了，ecDNA表面缺少抑制转录的组蛋白修饰 (Repressive Histone Mark) ，同时又有活跃型的组蛋白修饰；而且，这些组蛋白又在启动子 (转录开始) 的位置上。

相比之下，染色体DNA上的基因，通常是被抑制转录的。

二是ecDNA作为一种环状DNA，没有染色体的那种高级压缩结构 (Higher-Order Compaction) ，这也会让基因转录变得更容易：

△ 上为染色体DNA，下为ecDNA

至于ecDNA的大规模复制，到底是怎样达成的，团队也还在研究中。

不过，目前的研究成果，带来的最重要的启发大概就是：

不要只盯着染色体上的癌基因，环状的ecDNA也可能带我们找到新的癌症治疗方法。

一作吴思涵现身答疑解惑

按照「谢邀，人在知乎，刚发《Nature》」的惯例，论文一作吴思涵如约现身知乎，对论文进行了答疑解惑。

量子位经授权，对问题和作者的解答做了整理。

问题一：癌症的三大特性：侵袭性，即癌症可以把周围的正常细胞变成癌细胞。

这种策略，是不是通过这种ecDNA实现的呢？毕竟在广大生物中，通过质粒传递这种基因水平转移是广泛存在的——CNS级别

答：首先，我们在下一篇文章中，就有在关注ecDNA和肿瘤转移的关系（侵袭暂无数据）。但是，这是未发表数据，所以不便透露。而且我个人还在质疑目前数据的可靠程度，因为我认为还需要进行更多细致的亚组分析，才能给出答案。

至于ecDNA能否实现类似质粒一般的横线转移，我们的猜测，是有可能。但是，几率多大？有没有生物学意义？这是目前不清楚的。

问题二：ecDNA怎么从染色体上掉下来？

所有现有的证据都指向，ecDNA的形成，极大几率和DNA损伤（尤其是DNA双链断链）有关。

其中，以前跟我们同一个实验楼的前辈有文章表明，lagging chromosome对导致染色体碎裂，并在一些情况下，会在子代细胞中形成ecDNA。

但由于他们用的是一个人造的lagging Y染色体模型，所以跟肿瘤中的情况还是不一样。不过，这其中应该有相通之处。

问题三：ecDNA怎么消除？

答：我们在2014年，有一篇Science文章研究了这个问题。我们发现，当ecDNA上面含有EGFR基因的时候，用EGFR的激酶抑制剂，可以“消除”ecDNA。

但是，这些ecDNA会“藏”到染色体上。一旦撤药，这些ecDNA就会死灰复燃，重新出现。

论文地址： https://science.sciencemag.org/content/343/6166/72

上图分别是“拿衣服”，“药物抵抗”，和“撤药”状态。

其他组也有在做有关ecDNA的消除机制，包括有用一些抗癌药羟基脲来实现的。

我们实验室现在已经发现了ecDNA消除的统一机制，但由于是未发表数据，所以，无可奉告。

问题四：不只有癌基因吧，会不会有抑癌基因在上面呢？

答：目前我们只发现了上面带有oncogene，但没有发现【经典的】tumor suppressor gene。（为什么要说是【经典】呢，因为鬼知道会不会哪天发现了哪个新的抑癌基因呢。而且我将有一篇合作文章，就找到了一个非经典抑癌基因，逃~）

这是我们组2017在Nature上发的文章的数据： Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution and genetic heterogeneity

红色的是TCGA数据库上扩增的原癌基因分布，右边是我们的样本。可以看出，两者在扩增的原癌基因的类别上，是有相当大的重合的。

问题五：ecDNA是否有统一形成机制？它们的转录和复制是否和染色体DNA一样？

并不清楚是否有统一机制。我们仅仅知道，在一些情况下，我们可以人工在正常和肿瘤细胞中创造出ecDNA。但距离这个ecDNA是否有功能，还有很长的距离要走。

ecDNA的转录和复制机制，是不清楚的。这就是这个领域有意思的地方，有着大量的未知等着我们去探索。

问题六：ecDNA的复制是怎样的？类似于质粒的自我复制还是有其他方式？

答：质粒复制可能至少有3种方式，比如θ机制，滚环复制等。但至于ecDNA的复制方式，跟什么比较像？我们现有的数据和假说，有点苗头。但是，具体怎么样，我们也不清楚。这也是我们未来将要研究的问题。

别人怎么看？

那么，这样一个发现为什么可能带来癌症治疗领域的第四次革命呢？

中国科学院遗传学博士李雷在知乎回答了这个问题，并获得了近5.2K的点赞。

因为，我们找到了癌基因真正在哪里！ 在今天，相信路边摆摊的大爷都知道癌基因这种概念，是的，过去几十年，借助测序技术，科学家们研究了大量的和癌症相关的基因，比如nature曾经发不过全球最火的10个基因，第一个就是抑癌基因tp53，其他的也大部分都是癌基因，但是，癌基因的物理位置到底在哪里？我们却一直搞错了。

过去我们一直以为癌基因在染色体上，毕竟正常人的基因都是在染色体上，然而，吴思涵他们的研究却发现，在癌症中，这一情况发生了改变，癌细胞中的癌基因竟然从染色体上掉下来，形成了一种特殊的DNA，那就是环状ecDNA。

北京大学生命科学学院博士孟浩巍评价道：

特别佩服这种原创性的研究，这种研究才真的是开创一个新领域，能过为众多研究人员打开一个新领域的大门；而不是某些人，靠堆人力物力搞军备竞赛，在有限的领域、有限问题里互相抢饭碗。

作者简介

△吴思涵

吴思涵在中山大学攻读完博士学位后，于2014年加入Paul Mischel Lab。

主要研究方向是癌症遗传学和代谢，探究染色体外DNA如何使癌症适应，以及重新编程的细胞代谢如何支持癌症生存。

主要学术贡献：

2019：Oncogene amplification in growth factor signaling pathways renders cancers dependent on membrane lipid remodeling. 地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1550413119303171

2018：Targeting cancer’s metabolic co-dependencies: A landscape shaped by genotype and tissue context 地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304419X18300453

2017：Glioblastoma cellular cross-talk converges on NF-κB to attenuate EGFR inhibitor sensitivity 地址：http://genesdev.cshlp.org/content/31/12/1212.short

更多学术贡献详见： https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=O1e4RfAAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate

吴思涵表示，除了科学，还喜欢音乐、艺术、烹饪和科技产品，同时也在帮助运营一个非盈利的科学社区，向普通大众传播生物和医学科学。

传送门

论文： https://www.nature.com/articles/s41586-019-1763-5

知乎： https://www.zhihu.com/question/356918720

头图来源@全景视觉

钛媒体注：本文来自于微信公众号量子位（ID：QbitAI），作者为十三、栗子，钛媒体经授权发布。