寻找治癌 “灵丹妙药” 染色体外环状 DNA 或是关键所在

来源: 科技日报 / 作者: 2020-01-22
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实习记者 于紫月

DNA 几乎是无人不知、无人不晓。作为我们的遗传物质,人体内大部分 DNA 都紧密折叠在细胞核中的染色体里。癌症,是全人类面临的恶性疾病。数十年来,科学家们一直试图从 DNA 中找到癌症的起因和治癌的 “灵丹妙药”。作为 DNA 的聚居地,染色体自然是研究的重点目标。

近日,来自美国路德维希癌症研究所、德国夏洛蒂医科大学等机构的研究人员却先后发现,位于染色体外的环状 DNA 在癌症的发生、发展中扮演着更为重要的角色。相关研究成果在《自然》《自然 · 遗传学》等国际权威期刊一经发表,迅速引起全球关注,甚至有人预言:环状 DNA 才是未来癌症治疗的重点。

环状 DNA 和染色体究竟有什么联系?它又是怎样导致癌症并纵容肿瘤发展的?

环状 DNA 不止癌中有

“环状 DNA 和染色体上 DNA 一样,都是一种三级结构。” 哈尔滨医科大学遗传学研究室副研究员朱静在接受科技日报记者采访时表示,DNA 中的 4 种碱基排列顺序被称作一级结构,两条多核苷酸链反向平行缠绕生成的双螺旋结构是二级结构,而双螺旋结构进一步盘曲、缠绕就形成了染色体等 DNA 的三级结构。

“从整个自然界看,环状 DNA 是普遍存在的。”朱静介绍,例如原核生物的遗传物质、细菌 DNA 以及其胞质中的质粒 DNA 都呈现环状,即使在人类等高等生物中,也同样存在大量环状 DNA。可见,染色体外的环状 DNA 是一个较为庞大的 “家族”,其中,“个头” 较大(大小从几百 kb 到数 Mb 碱基)、主要存在于癌细胞中的环状 DNA(ecDNA,如双微体等)是学者们研究的重点之一。前文提及的新研究中的研究对象就是此类环状 DNA。一般认为,人体内的 ecDNA 由染色体上脱离的片段经过重组和首尾相连环化而成。

记者了解到,早在 1965 年,科学家就在人体肿瘤细胞中发现了环状 DNA,当时科学家们称其为双微体。此后的研究证明,双微体可以携带癌基因。2017 年,美国加州大学圣迭戈分校保罗 · 米切尔教授领导的课题组对 17 种肿瘤、2000 多种细胞系进行测序分析,发现超过一半肿瘤细胞中存在 ecDNA,而且不少都携带致癌基因。

比较大的环状 DNA(ecDNA)主要存在于肿瘤细胞中,比较小的环状 DNA 则广泛存在。2018 年 3 月,美国哥本哈根大学的研究团队从 16 名健康男性身上分离并测序了约 10 万种来自肌肉和血液白细胞样本的环状 DNA,它们大小相差万倍,部分可以容纳一个或多个可以表达的基因。

研究人员计算发现,每 100 个白细胞核含 3.5—5.6 个不同的环状 DNA。而在肌肉组织中,每 100 个细胞含 0.85—0.93 个不同的环状 DNA。这样的结果表明,环状 DNA 绝非癌细胞独有,而是广泛存在于人体组织中。不过,相比当年发现的双微体,这些健康细胞中的环状 DNA 要小得多。

扩增 + 环化带来致癌性

“事实上,类似双微体等大型 ecDNA 在人体中是非常罕见的,一般只在癌细胞和衰老细胞中存在,其中癌细胞中最为常见。” 朱静谈到,因此,专家们一直认为,大型 ecDNA 和癌症是密切相关的。

“此前对 ecDNA 致癌的研究主要停留在它的扩增性上。” 朱静介绍,ecDNA 没有染色体上的着丝粒,所以当细胞分裂时它不会像染色体一样平均分配,而是随机进入子细胞中。这种随机性会带来一些细胞中 ecDNA 数量的持续上升,进而导致 ecDNA 上的基因表达量提高,这就是所谓的基因扩增。众所周知,正常人体细胞的 DNA 应该集中在 23 对染色体中,过多的 ecDNA 会影响基因组的稳定性,而大量 ecDNA 表达会使细胞偏离正常轨道。如果扩增的是携带致癌基因的 ecDNA,就可能会导致癌症的发生和演进。

“最近的研究则超越了这种扩增性,加深了对 ecDNA 本身环化的认识。” 朱静表示,一方面,DNA 片段从染色体上脱离再重新结合为 ecDNA 时,可能使 DNA 序列发生改变,细胞基因组的复杂性增强,同时扩增的增强子等序列可以因为拓扑学构象改变而更有机会发挥调控功能,并且 ecDNA 可以呈现更松散的结构,基因更易于表达;另一方面,ecDNA 可能再次回插到染色体中,在此过程中可能激活致癌基因或者让抑癌基因的停止表达,这些都可能带来癌症。

2019 年 11 月,路德维希癌症研究所吴思涵等人在《自然》杂志撰文指出,“ecDNA 上的癌基因,是整个肿瘤基因转录组当中,表达水平最高的基因之一。” 他们使用亚显微结构成像、光学图谱、全基因组测序等多种手段,清晰展示出 ecDNA 的结构,并且实验证实了 “大量转录的癌基因 mRNA,就是直接来自 ecDNA”。

此外,研究人员还发现,由于细胞分裂中 ecDNA 分配存在随机性,不同癌细胞之间 ecDNA 含量差异巨大。这提高了癌细胞的多样性,使其抗药能力上升。因此,如果是 ecDNA 扩增导致的癌症,其治疗效果将更为糟糕。

无独有偶,2019 年 12 月,夏洛蒂医科大学的研究团队在《自然 · 遗传学》杂志发文,他们绘制出了儿童癌症中 ecDNA 精细化图谱,阐述了染色体外环状 DNA 诱发儿童癌症的过程。

测序技术加深对 ecDNA 作用机制认识

“近段时间以来,在 ecDNA 的研究领域,国际上接连取得一些突破,很大程度上得益于生物实验技术的进步。” 朱静认为,近期的研究比较集中地深入到 ecDNA 是否有特殊的表达和调控机制上,是 ecDNA 研究发展的必然趋势之一,在研究目的上符合学界对 ecDNA 相关特征的疑问,但此前没有合适的技术手段。随着测序技术,如高通量测序技术及其衍生技术(包括 DNA 水平的二代测序、三代测序、转录组水平测序和表观调控组学研究等),以及生物信息学分析等技术的发展成熟和成本降低,进一步深入研究 ecDNA 成为可能。

“上述研究成果都充分利用了这些先进技术。”朱静谈到,例如路德维希癌症研究所的研究就是采用 “ATAC-seq(一种高通量测序技术)” 等方法证明了 ecDNA 相比染色体 DNA 更易表达,这是该技术首次用于这一领域。

“不过,现有的突破仍然停留在 ecDNA 的作用机制上,虽然为临床应用奠定了一定基础,进一步证明了 ecDNA 在治癌领域的重要性,但是距离临床应用还需要较多的工作。” 朱静表示,怎样阻止 ecDNA 的产生以及怎样加速消除 ecDNA,这些问题仍然没有解决。ecDNA 的产生机制比较复杂,涉及多种通路,难以研制有针对性的药物,其他阻断措施既可能没有效果,也可能影响正常的细胞功能。同时,虽然曾有学者使用羟基脲等药物加速 ecDNA 的排出以及用基因敲减等技术降低 ecDNA 上基因的扩增和表达,并且在一定程度上起到了抑制肿瘤的作用,但这些方式仍处于研究之中。

朱静认为,如果我们可以证明 ecDNA 上的某个基因和某种癌症相互关联,就可以将它的扩增作为癌症检测标记物。目前在部分肿瘤中,确实已经发现一些反复出现的 ecDNA 形式的扩增序列。但 ecDNA 在起源上存在较强的 “异质性”,不同个体间可以有较大的差异,在走向应用前还需要更大规模的临床研究和分析统计。

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