遗传因素促进了癌细胞中外染色体DNA的保留

《Nature》：Genetic elements promote retention of extrachromosomal DNA in cancer cells

本研究发现人类基因组中存在一类新的DNA元件——保留元素，其通过促进外染色体DNA（ecDNA）与染色体在分裂期的物理结合，确保ecDNA的跨代传递。通过开发Retain-seq技术，鉴定了广泛分布的保留元素，并证实它们与染色体上的共定位区域（如启动子、增强子）通过保守的DNA结合蛋白相互作用。保留元素数量与ecDNA扩增程度呈正相关，且其CpG富集区的甲基化状态影响功能。该机制解释了ecDNA在癌症进化中的选择性优势，为设计靶向疗法提供新思路。

　　### 生物学与癌症研究中的一个关键发现：外源性DNA在细胞分裂中的维持机制

在癌症研究中，科学家们发现了一种特殊的DNA结构——外源性染色体外DNA（extrachromosomal DNA, ecDNA），它在肿瘤细胞中广泛存在并具有重要的生物学意义。这种结构通常是环状的大规模DNA分子，缺乏着丝粒，因此在细胞分裂过程中表现出随机的分配特性。这种DNA的异常存在和传递特性，使得它在肿瘤的进化过程中扮演了关键角色。然而，长期以来，科学家们对于ecDNA如何在细胞分裂中被维持到子细胞中，一直存在疑问。

最近，研究人员提出了一种新的机制，认为ecDNA能够通过与有丝分裂染色体的“附着”行为，实现其在子细胞中的传递。这种现象被称为“mitotic hitchhiking”，即ecDNA借助染色体的物理结构，得以在细胞分裂时被携带到子细胞核中。然而，这种机制的具体分子基础尚不清楚。直到最近，通过一系列实验和分析，科学家们才揭示了这一过程的核心驱动因素——“保留元素”（retention elements）。

保留元素是一类特定的基因启动子区域，富含CpG二核苷酸。它们能够通过与染色体上的“标记位点”（mitotic bookmarks）发生物理相互作用，使得ecDNA得以在细胞分裂时被稳定保留。这些标记位点由一些关键的转录因子和染色质蛋白构成，它们在有丝分裂期间仍然保留在染色体上，并在细胞分裂后迅速恢复基因表达和细胞功能。通过将这些保留元素与染色体上的标记位点相互作用，ecDNA能够在细胞分裂过程中被有效地携带到子细胞中。

研究团队开发了一种新的高通量筛选方法，称为“Retain-seq”，用于鉴定具有保留功能的DNA序列。通过这种方法，他们发现人类基因组中存在大量保留元素，并且这些元素在不同的细胞系中表现出一定的共性。例如，保留元素通常位于基因的启动子区域，而不是基因的非编码区域。此外，它们在染色质结构上具有特定的特征，例如富含CpG二核苷酸，以及与某些活跃的染色质重塑复合物（如SWI/SNF）和转录因子（如BRD4）的结合。

为了验证这些保留元素的功能，研究团队通过多种实验手段，包括活细胞成像、染色质构象捕获（chromosome conformation capture）和定量PCR（qPCR），确认了这些DNA序列在促进ecDNA保留方面的关键作用。例如，通过将保留元素插入到质粒中，并进行活细胞成像，研究人员发现这些质粒在细胞分裂过程中与染色体发生显著的共定位。此外，通过单分子长读测序，他们还发现这些保留元素在染色体上的分布具有一定的规律性，并且在某些情况下表现出显著的低甲基化特征。

进一步的分析表明，保留元素在染色质结构上表现出特定的动态行为。它们能够与染色体上的标记位点形成特定的物理接触，并在细胞分裂过程中促进ecDNA的稳定保留。这种相互作用类似于基因调控中的启动子-增强子相互作用，但发生在不同的DNA分子之间。也就是说，保留元素不仅在基因表达调控中发挥作用，还在细胞分裂过程中促进ecDNA的稳定传递。

研究人员还发现，保留元素的低甲基化状态可能是其发挥保留功能的关键因素之一。CpG位点的甲基化通常会抑制基因表达和转录因子的结合，而保留元素的低甲基化状态可能有助于其在细胞分裂过程中保持活性。通过CRISPRoff技术，他们成功地对保留元素进行靶向甲基化，并观察到ecDNA的保留效率显著下降。这一发现表明，保留元素的功能可能受到表观遗传调控的影响，而这种调控可能在不同细胞系中表现出一定的共性。

此外，研究还发现，保留元素在人类癌症中与某些癌基因的共扩增现象密切相关。例如，在某些肿瘤细胞中，保留元素与癌基因（如EGFR、MYC、CDK4等）共同存在于ecDNA中，并且这些保留元素的存在可能影响ecDNA的大小和结构。这种共扩增现象可能意味着保留元素在癌症进化过程中起到了选择性作用，帮助某些ecDNA分子在细胞群体中获得竞争优势。

研究团队还通过计算机模拟和数学建模，进一步探讨了保留元素与癌症进化之间的关系。他们发现，当保留效率低于一定阈值时，ecDNA的扩增会受到限制，而保留效率的提高则有助于ecDNA在细胞分裂过程中保持稳定。这表明，保留元素的存在可能是某些癌症中ecDNA扩增的必要条件之一。

保留元素的研究不仅有助于理解ecDNA在癌症中的生物学功能，还可能为癌症治疗提供新的思路。由于ecDNA能够携带某些癌基因，并在细胞分裂过程中保持稳定，因此针对这些保留元素的干预可能会抑制癌基因的扩增和表达。例如，通过抑制保留元素的活性，可能可以降低癌细胞的增殖能力，从而为癌症治疗提供新的靶点。

此外，这项研究还揭示了保留元素在不同细胞类型中的分布特征。尽管保留元素在某些细胞系中表现出较高的保留效率，但在其他细胞系中则相对较少。这可能意味着保留元素的功能具有一定的细胞类型特异性，或者其作用机制在不同细胞中存在差异。因此，未来的癌症研究需要考虑细胞类型和染色质状态对保留元素功能的影响。

综上所述，这项研究揭示了ecDNA在细胞分裂过程中如何通过保留元素实现其在子细胞中的稳定传递。保留元素的发现为理解癌症基因组的动态变化提供了新的视角，并为开发针对ecDNA的癌症治疗策略奠定了基础。保留元素不仅在基因表达调控中发挥作用，还在细胞分裂过程中通过与染色体的物理相互作用，帮助ecDNA的稳定继承。这种机制的揭示，可能有助于科学家们更全面地理解癌症的进化过程，并为癌症的早期诊断和治疗提供新的思路。