GBM中ecDNA时空演化图谱揭示EGFR与PDGFRA的差异化进化路径及临床意义

《Cancer Discovery》：ecDNA accumulation in genetically engineered in vivo and ... Open Access

本刊推荐：该研究通过整合计算模型与94例初治GBM样本，首次系统揭示ecDNA在GBM中的时空演化规律。研究发现EGFR-ecDNA常于克隆扩张前累积，而PDGFRA-ecDNA多伴随其他癌基因共扩增；通过建立SPECIES空间进化模型，证实ecDNA致癌特性决定其独特进化轨迹，为GBM基因组数据解读提供新范式。

　　

Abstract

染色体外DNA（ecDNA）扩增的癌基因是癌症治疗耐药和生存率差的关键因素。本研究通过计算建模与94例初治人胶质母细胞瘤（GBM）样本的整合分析，揭示ecDNA的时空进化规律。研究发现癌基因特异性ecDNA空间异质性模式源于随机ecDNA分离和不同的适应性优势。与PDGFRA-ecDNA不同，EGFR-ecDNA常在克隆扩张前积累，赋予强适应性优势并达到高丰度。遗传工程小鼠神经干细胞体内实验进一步证实癌前ecDNA积累现象。变异体和野生型EGFR-ecDNA常在GBM中共存，其中EGFRvIII等变异始终源于已存在的野生型ecDNA，且出现早、丰度高。研究提出ecDNA克隆性和异质性等新概念，要求对大部分GBM基因组数据重新进行进化解读。

Introduction

遗传性瘤内异质性普遍存在于人类癌症中，其通过细胞分裂、突变积累和克隆选择演化而成。ecDNA上的癌基因扩增是异质性的主要驱动因素，随机ecDNA分离导致细胞间ecDNA拷贝数变异，进而推动选择作用。GBM作为成人最常见原发性脑肿瘤，其IDH野生型亚型常携带EGFR、PDGFRA等ecDNA扩增癌基因，但不同ecDNA癌基因的进化意义尚不明确。

The Landscape of ecDNA-Amplified Oncogenes in Human GBM

对59例GB-UK队列和35例PCAWG队列的GBM分析显示，57%-86%样本存在至少一种ecDNA扩增。ecDNA携带基因中位数为9.5个，且其癌基因拷贝数显著高于染色体内扩增（53 vs. 18）。EGFR扩增均位于ecDNA上，而PDGFRA或MDM2 ecDNA常共扩增其他癌基因。ecDNA大小保守（180 kbp-5.52 Mbp），且癌基因拷贝数与ecDNA基因数量呈负相关，提示非必需DNA的选择性清除。

Spatial ecDNA Copy-number Heterogeneity

通过DNA FISH对肿瘤核心区和浸润区分析发现，EGFR-ecDNA拷贝数分布呈现显著空间异质性，而PDGFRA-ecDNA分布相对均匀。空间ecDNA内肿瘤进化模拟（SPECIES）模型引入初始ecDNA拷贝数（k）、选择强度（s）和空间约束（q）三个参数，成功重建ecDNA空间模式。模型显示强空间约束（q=2或5）可解释局部空间扇区形成。

Computational Inferences of ecDNA Evolutionary Properties

近似贝叶斯计算拟合显示，26例肿瘤中15例的初始ecDNA拷贝数k≥20，提示ecDNA在最近克隆扩张前已积累。18例肿瘤显示强选择优势（s≥1），其中16例为EGFR-ecDNA。空间约束参数q多集中于低值，表明肿瘤生长受局部空间限制。三区域（核心/边缘/前沿）与两区域分析结果高度一致，验证模型稳健性。

ecDNA Oncogene-Specific GBM Evolution

EGFR-ecDNA与PDGFRA-ecDNA在最大拷贝数、细胞间方差等指标存在显著差异。SPECIES模型推断EGFR-ecDNA具有更高初始拷贝数（k中位值34 vs. 4.25）、更强选择优势（s中位值0.5 vs. 0.375）和更严格空间约束，表明不同癌基因ecDNA遵循独特进化路径。

ecDNA Accumulation and Selection in Genetically Engineered Mice

Myc^ec/+; p53^fl/fl; Nestin-Cre小鼠模型在4月龄室管膜下区神经干细胞中检测到Myc-ecDNA积累，而无Myc-ecDNA的对照组则无此现象。体外实验模拟支持Myc-ecDNA阳性选择（s=2），证实癌前ecDNA积累的生物学可行性。

EGFR-ecDNA–Variant Heteroplasmy in GBM

67%的EGFR-ecDNA阳性肿瘤携带突变体，其中6例为EGFRvIII。所有EGFRvIII均与野生型共存于同一ecDNA分子，且共享基因组断点，提示变异体源于预存野生型ecDNA。免疫组化显示EGFRvIII在核心区和浸润区广泛存在，支持其早于克隆扩张出现。

Early Emergence and Selection of ecDNA-Amplified EGFR Variants

SPECIES模拟表明，高初始野生型ecDNA拷贝数（k_wt/k_var比例10:1至50:1）或双类型共存（10:10或50:50）与患者数据吻合。PCAWG队列发现EGFR p.A289V等点突变复发，dN/dS分析显示EGFR-ecDNA变异呈正选择信号（7.00 vs. PDGFRA的0.00）。

Coselection and Cosegregation Dynamics of Multiple ecDNA Species

16%的GBM携带多重ecDNA物种，其中MDM2/MDM4富集提示TP53通路失活可能促进ecDNA形成。多重ecDNA SPECIES模型揭示共分离和共选择机制可维持混合细胞群，但高起始ecDNA拷贝数仍是空间模式的主要驱动因素。

Discussion

本研究确立ecDNA为GBM癌基因扩增的主要模式，揭示EGFR与PDGFRA ecDNA的差异化进化轨迹。SPECIES模型通过空间-时间进化建模为ecDNA致癌机制提供新见解。EGFR变异体早期出现与强选择特性提示其可作为治疗干预窗口，而ecDNA表征有望实现分子分层治疗。