胶质母细胞瘤中染色体外DNA（ecDNA）的时空演化与致癌基因特异性进化轨迹

《Cancer Discovery》：Simulating multi-ecDNA dynamics in vivo. A, DNA FISH and ... Open Access

本研究通过整合计算模型与94例初治胶质母细胞瘤（GBM）样本分析，揭示了染色体外DNA（ecDNA）扩增的致癌基因（如EGFR、PDGFRA）存在独特的时空进化模式。研究发现EGFR-ecDNA常在克隆扩张前积累并赋予强适应性优势，而变异体（如EGFRvIII）均源自野生型ecDNA。新概念如ecDNA克隆性（clonality）和异质性（heteroplasmy）要求对大部分GBM基因组数据进化重新解读。

　　

胶质母细胞瘤（GBM）中染色体外DNA的时空演化景观

致癌基因在染色体外DNA（ecDNA）上的扩增是癌症治疗耐药和生存率差的关键驱动因素。然而，ecDNA的时空演化机制尚不明确。本研究通过开发空间ecDNA瘤内进化模拟（SPECIES）计算模型，结合94例IDH野生型GBM样本的多组学分析，系统揭示了ecDNA在GBM中的进化规律。

GBM中ecDNA扩增致癌基因的景观

在GB-UK和PCAWG队列的94例IDH野生型GBM中，ecDNA是致癌基因扩增的主要形式（57%-86%）。EGFR扩增均位于ecDNA上，而PDGFRA和MDM2常与其他染色体4或12上的致癌基因（如KIT、CDK4）共扩增。ecDNA的结构复杂度显著高于线性扩增（复杂度评分0.84 vs. 0.43, P<0.0001），且ecDNA扩增的致癌基因拷贝数中位数（53）远高于染色体内部扩增（18, P=0.002）。有趣的是，ecDNA大小与拷贝数呈负相关（Spearman r=-0.5），提示非必需DNA序列在进化中被淘汰。

ecDNA拷贝数空间异质性的模拟

通过DNA荧光原位杂交（FISH）定量分析发现，EGFR-ecDNA在肿瘤核心与边缘区域的拷贝数分布差异显著大于PDGFRA-ecDNA（Wasserstein距离, P=0.0059）。为解析这一现象，研究者开发了SPECIES空间模型，通过三个关键参数模拟肿瘤生长：起始ecDNA拷贝数（k）、选择强度（s）和空间限制强度（q）。近似贝叶斯计算（ABC）拟合显示，EGFR-ecDNA肿瘤的k值（中位34）和s值（中位≥1）均显著高于PDGFRA-ecDNA（k中位4.25, s中位0.375），表明EGFR-ecDNA在克隆扩张前已大量积累且受强选择压力。

ecDNA在基因工程小鼠模型中的早期积累

在Myc^ec/+; p53^fl/fl; Nestin-Cre小鼠的脑室下区（SVZ）神经干细胞中，4月龄时即可检测到Myc-ecDNA积累，而无Myc-ecDNA的对照组则未见此现象。体外实验进一步证实Myc-ecDNA具有正向选择优势（s=2），支持了ecDNA在癌前阶段积累的假说。

EGFR-ecDNA变异体的早期进化与异质性

67%的EGFR-ecDNA阳性肿瘤携带突变体（如EGFRvIII），且均与野生型（EGFRwt）共存。结构分析显示，EGFRvIII与EGFRwt共享相同的基因组断点，表明变异体源自已有ecDNA的突变。免疫组化证实EGFRvIII在肿瘤核心和边缘广泛存在（80%），空间模拟排除了晚期突变假说（图5F）。此外，PCAWG队列中发现EGFR点突变（如p.A289V）以亚克隆形式存在于ecDNA上，dN/dS分析提示其受正选择（dN/dS=7.0），而PDGFRA突变则无此信号（dN/dS=0）。

多ecDNA物种的共选择与共分离

16%的GBM携带多种ecDNA物种（如EGFR与PDGFRAecDNA共存）。扩展的SPECIES模型引入共分离（cosegregation）和共选择（coselection）参数后，仍提示高k值是解释空间分布的必要条件。多重RNAscope分析显示，不同ecDNA物种的转录在单细胞水平存在异质性，进一步增加了肿瘤的可塑性。

结论与临床意义

本研究揭示了ecDNA致癌基因的特异性进化路径：EGFR-ecDNA通过早期积累和强选择驱动肿瘤发生，而PDGFRA-ecDNA依赖多基因共扩增。ecDNA异质性（heteroplasmy）和克隆性（clonality）等新概念要求对GBM基因组数据重新解读。针对ecDNA动态特性的早期干预策略（如液体活检）可能改善当前靶向治疗的困境。