综述：染色体外DNA作为癌症进化的动力引擎：结构、可塑性和治疗抗性

《Critical Reviews in Oncology/Hematology》：Extrachromosomal DNA as a dynamic engine of cancer evolution: structure, plasticity and therapeutic resistance

ecDNA作为动态基因组子系统驱动癌症进化，其非孟德尔遗传特性导致细胞间拷贝数异质性，通过增强致癌基因表达、劫持调控元件和三维聚类形成转录枢纽，加速治疗抵抗。研究揭示ecDNA通过复杂结构变异和复制压力形成，并参与定义平行进化轨迹。临床检测技术如Circle-seq可非侵入监测尿液中ecDNA，用于早期筛查和耐药监测。

　　

严固|帅旺|肖宇轩|李宇涛|林文|陈克忠

北京大学人民医院胸外科，北京100044，中国

摘要

染色体外DNA（ecDNA）已被认为是人类癌症中常见的、具有影响力的癌基因和调控元件扩增形式。ecDNA由大的、无着丝粒的环状DNA分子组成，能够自主复制。这些分子经常携带癌基因、免疫调节基因和增强子，并且在有丝分裂过程中以非孟德尔方式分离。这些特性支持高水平的转录输出、显著的肿瘤内异质性和快速适应能力。研究表明，ecDNA与免疫逃逸、治疗抵抗和不良预后有关。在这篇综述中，我们结合近期研究结果，认为应将ecDNA视为一个动态的、可选择的基因组子系统，而不仅仅是一种静态的扩增现象。首先，我们总结了ecDNA的形成、维持和结构可塑性的现有模型。接着，我们概述了ecDNA的关键功能特征，如癌基因扩增、增强子劫持、三维聚类形成转录枢纽以及细胞状态的表观遗传重塑。通过多区域和纵向分析，我们区分了肿瘤谱系和环状DNA谱系，并描述了ecDNA结构如何定义肿瘤内部和之间的平行进化轨迹。接下来，我们探讨了ecDNA在治疗压力下的行为，以及它如何通过可逆的拷贝数变化、通路重连和非遗传状态转换来影响不同类型的癌症治疗。最后，我们讨论了从多种数据源检测ecDNA的最新进展、其潜在的临床应用，以及利用ecDNA特异性脆弱性的早期尝试。从这个动态的角度来看待ecDNA，强调了它在癌症进化中的核心作用，并指出了改进患者分层和开发选择性消除ecDNA驱动肿瘤策略的具体机会。

引言

经典的癌症进化模型假设大多数驱动事件都嵌入在线性染色体中，并通过可预测的孟德尔遗传方式传递。虽然这一框架解释了许多克隆选择模式，但它无法完全解释ecDNA阳性肿瘤所特有的极端局部扩增、癌基因剂量的快速变化以及治疗突然失败的现象（Yan等人，2024年）。

在包括microDNA和ecDNA在内的染色体外环状DNA（eccDNA）这一更大范畴中，这种区分非常重要。microDNA和其他小型eccDNA物种的长度通常为200–400 bp，很少超过10 kb（Liao等人，2020年）。在这里，我们使用ecDNA来指代大的、无着丝粒的环状DNA元件，其长度通常为0.1–5 Mb，这些元件经常包含癌基因和密集的调控元件簇。ecDNA上的癌基因可以达到非常高的拷贝数（CNs），在有丝分裂过程中不均匀分离，并在三维核空间中聚类形成转录枢纽（Weiser等人，2025年）。它们共同产生了高水平的致癌效应和广泛的细胞间异质性，使肿瘤能够在治疗和微环境压力下快速适应。在这篇综述中，我们将最新数据与我们的概念性综合分析相结合，将ecDNA视为癌症进化和治疗抵抗的动态引擎，而不仅仅是基因组不稳定性的静态副产品。我们重点关注其生物发生和可塑性、功能特征、由ecDNA定义的克隆结构、治疗下的行为、与肿瘤微环境的相互作用、检测和监测的新技术，以及潜在的ecDNA特异性治疗脆弱性。

节选

从复杂结构变异和复制压力中形成

最近的研究表明，ecDNA通过多种途径产生，每种途径都会留下特征性的结构和序列痕迹（Bailey等人，2024年）。肿瘤全基因组重建反复指向四种主要起源方式。首先是疤痕切除形成，其中一个或多个双链断裂（DSBs）切除一段染色体片段，该片段重新连接成环状，从而在供体位点留下相应的“疤痕”，这是一种缺失形式；这种情况发生在复制之前或之后。

拷贝数异质性和受调控的分离

ecDNA在细胞间的拷贝数（CNs）存在显著差异。这长期以来一直与其缺乏着丝粒以及在有丝分裂过程中不均匀分离有关（Lange等人，2022年；Wu等人，2019年）。复制后，这些环状DNA片段不均匀分配，导致子细胞继承不同的ecDNA负荷（Yi等人，2022年）。早期模型和实验支持一种机制，即ecDNA每个细胞周期复制一次，并被动遗传，选择过程富集了具有生长优势的状态。

由ecDNA定义的克隆结构和进化

达尔文进化基于四个核心原则——遗传、变异、选择和竞争——这些原则共同提供了一个强大的框架，用于理解癌症的进化过程，包括它们获得治疗抵抗的机制（Lacina等人，2019年；Vendramin等人，2021年）。通过血统确定的遗传身份概念是我们理解癌症进化的基础，而细胞分裂过程中主要依赖染色体遗传的假设是经典模型的基础。

靶向治疗：可逆的丢失、扩增和通路重连

ecDNA为逃避靶向治疗提供了多种手段，其行为取决于具体情境，有时甚至相互对立。

在用EGFR酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）治疗的胶质母细胞瘤中，携带EGFRvIII的ecDNA展示了适应性丢失机制（Nathanson等人，2014年）。在药物压力下，EGFRvIII ecDNA被消耗或整合到HSRs中，从而有效地消除了染色体外药物靶点并产生了抗性（图3A）。当药物撤除后，EGFRvIII ecDNA会重新出现。

eccDNA数据库

目前有几个针对人类和跨物种的数据库支持eccDNA的发现和交叉验证，包括CircleBase、eccDB、eccDNAdb、eccDNA Atlas和TeCD（Guo等人，2023年；Peng等人，2022年；Yang等人，2023a；Zhao等人，2022年；Zhong等人，2023年）。这些资源在覆盖范围和注释深度上有所不同（表1）。CytoCellDB通过基于细胞遗传学证据系统地标记含有ecDNA和HSR的细胞系，提供了补充信息（Fessler等人，2024年）。

eccDNA的临床应用

一些研究对于早期检测和多癌症筛查环状DNA特别重要。在尿液中，Circle-seq技术在健康个体和慢性肾病患者中发现了丰富的尿液来源的无细胞ecDNA（Chen等人，2025年；Lv等人，2022年）。eccDNA显示出多模态的长度分布，在疾病状态下水平显著升高，表明其对泌尿系统和系统病理具有敏感性，为非侵入性评估提供了可行途径。

结论

ecDNA已从一个细胞遗传学上的好奇对象转变为一个动态的、可选择的基因组子系统，加速了癌症的进化。其无着丝粒的环状拓扑结构使得癌基因剂量、结构重塑和非孟德尔遗传能够快速且可逆地发生变化，共同为选择创造了广阔的空间。结合最近的多区域和纵向研究证据，我们提出了一个双层克隆性观点，即ecDNA作为独立的环状DNA谱系进行进化。

未引用的参考文献

(Chen等人，2024年；Li等人，2023年；Li等人，2023年；Wu等人，2022年；Wu等人，2022年)

利益冲突声明

我没有任何需要声明的利益冲突。

致谢

我们衷心感谢所有作者的建设性反馈和支持。同时，我们也感谢Biorender（https://BioRender.com）提供了用于制作手稿中所有插图的工具。

利益冲突声明

我没有任何需要声明的利益冲突。

陈克忠，教授兼主任医师，胸外科专家。他的主要研究兴趣包括早期肺癌筛查和诊断、进化机制的研究，以及利用液体活检进行预后监测。他在多组学建模、肺癌罕见治疗靶点的探索、免疫景观分析以及非侵入性高精度纵向跟踪方面取得了多项突破性进展，为精准诊断提供了新的方法。