量子位：Nature：最强癌基因找到了，居然不在染色体上 | 华人领衔最新研究

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　　癌症难治，罪魁祸首竟然是你！

　　在癌症治疗领域，曾经存在过三次革命：

　　第一次革命：化疗；

　　第二次革命：靶向疗法；

　　第三次革命：免疫疗法。

　　如今，随着一篇Nature论文的发布，又兴起了“第四次革命”的说法，主角居然是染色体外DNA(ecDNA)。

　　虽然上世纪60年代便有人发现了这种环状DNA的存在，也知道它会携带癌基因；但从前没人直接观察过ecDNA、没人指出它对肿瘤的生长有多关键。

　　而Nature发布的新研究中，科学家终于首次直接观察了ecDNA(不止基因测序)，并证明了它的重要性：

　　ecDNA上的癌基因，是肿瘤的整个基因转录组当中，表达水平最高的那部分基因。而染色体上癌基因的表达相对较低。

　　ecDNA上的癌基因之所以比染色体上的癌基因更能发挥作用，主要是因为不像染色体那样受到严格保护，它更容易读取，能快速扩增，具有侵略性。从前，癌症科学家专注于染色体，而新的研究有助于改变他们对肿瘤的认知。

　　研究成果来自路德维希癌症研究所(Ludwig Cancer Institute)和加州大学圣地亚哥分校，论文的一作是位名叫吴思涵的华人学者。

　　研究结果一经公布，便引起了广泛关注，在知乎热榜上已有600+万的热度。

　　网友点评，这次发现或许将带来癌症治疗领域的第四次革命。

　　一作吴思涵也站了出来，亲自对这个话题下读者的种种问题答疑解惑。

　　今天，量子位就带大家领略一下这篇重要的研究。

　　更强大的癌基因

　　首先介绍一下，ecDNA不是原本就长在染色体之外，而是在细胞有丝分裂中期，从染色体上脱落下来成环的DNA分子，常常带有癌基因。这是已有的研究成果。

　　从前，科学家们大多是依靠基因测序，来观察DNA里的癌基因。

　　一门心思找出那些会促发癌症的基因，却忽略了基因的物理位置，在癌症中的意义。

　　而这个问题很重要，它会影响人们对癌症原理的理解，也会影响人们寻找治疗方案的思路。

　　既然不能只用基因测序，那还要怎么办？

　　首先，团队把亚显微结构成像(Ultrastructrual Imaging)、光学匹配(Optical Mapping)、全基因组测序(WGS)等等搭配在一起，清晰展现出了环状DNA的形态，就是黄色标注部分：

　　虽然，1960年代便有科学家发现过ecDNA的存在，也提出它是环状DNA，但这篇论文给出了完整的证明，前人没有做到过。

　　而在了解结构的同时，也可以发现ecDNA上普遍带有癌基因。

　　ecDNA上的癌基因和染色体DNA上的癌基因，都会被转录，从而推动癌症病情的发展。

　　但由于两类癌基因所在的位置不同，发挥的作用也无法等同。

　　下图可以看出，环状DNA比染色体上的线性DNA，扩增能力要强许多，也就更有能力支持癌基因的表达：

　　也就是说，ecDNA能产生大量的副本。

　　结合同一支团队2017年发表的Nature研究，有丝分裂当中副本不会平均分到两个细胞里，而是随机分配。这就导致不同细胞之间，ecDNA含量差异巨大，副本越多差异越大。肿瘤细胞有了充足的多样性，便能更好地应对环境变化。

　　这里说的环境变化，很大程度上是指患者接受了化疗/放疗等等。换句话说，多样性可以支持肿瘤快速进化，产生抗药性。这也是晚期癌症难治的原因之一。

　　所以，癌基因大量扩增之后，就能大量表达么？

　　在刚刚发表的论文里，团队也用实验证明，癌细胞里表达水平更高的那些癌基因，就是来自ecDNA身上的癌基因：

　　这是测序结果，上面是癌基因转录的mRNA序列，下面是癌基因本身的DNA序列。左边黄色部分，是高扩增高转录的ecDNA，右边是低扩增低转录的染色体DNA。

　　如此一来，高扩增与高转录(高表达)之间的因果关系，得到了证明。也就是说，比起染色体上的癌基因，ecDNA上的癌基因有更强的力量，推动癌症病情向前发展。

　　那么问题来了，ecDNA毕竟是从染色体上脱落的，为什么染色体上的癌基因，就没有那么大的威力呢？

　　团队说，这是因为ecDNA的开放性比染色体要强很多。

　　一是测序实验证明了，ecDNA表面缺少抑制转录的组蛋白修饰(Repressive Histone Mark)，同时又有活跃型的组蛋白修饰；而且，这些组蛋白又在启动子(转录开始)的位置上。

　　相比之下，染色体DNA上的基因，通常是被抑制转录的。

　　二是ecDNA作为一种环状DNA，没有染色体的那种高级压缩结构(Higher-Order Compaction)，这也会让基因转录变得更容易：

　　△上为染色体DNA，下为ecDNA

　　至于ecDNA的大规模复制，到底是怎样达成的，团队也还在研究中。

　　不过，目前的研究成果，带来的最重要的启发大概就是：

　　不要只盯着染色体上的癌基因，环状的ecDNA也可能带我们找到新的癌症治疗方法。

　　一作吴思涵现身答疑解惑

　　按照「谢邀，人在知乎，刚发《Nature》」的惯例，论文一作吴思涵如约现身知乎，对论文进行了答疑解惑。

　　量子位经授权，对问题和作者的解答做了整理。

　　问题一：癌症的三大特性：侵袭性，即癌症可以把周围的正常细胞变成癌细胞。

　　这种策略，是不是通过这种ecDNA实现的呢？毕竟在广大生物中，通过质粒传递这种基因水平转移是广泛存在的——CNS级别

　　答：首先，我们在下一篇文章中，就有在关注ecDNA和肿瘤转移的关系（侵袭暂无数据）。但是，这是未发表数据，所以不便透露。而且我个人还在质疑目前数据的可靠程度，因为我认为还需要进行更多细致的亚组分析，才能给出答案。

　　至于ecDNA能否实现类似质粒一般的横线转移，我们的猜测，是有可能。但是，几率多大？有没有生物学意义？这是目前不清楚的。

　　问题二：ecDNA怎么从染色体上掉下来？

　　所有现有的证据都指向，ecDNA的形成，极大几率和DNA损伤（尤其是DNA双链断链）有关。

　　其中，以前跟我们同一个实验楼的前辈有文章表明，lagging chromosome对导致染色体碎裂，并在一些情况下，会在子代细胞中形成ecDNA。

　　但由于他们用的是一个人造的lagging Y染色体模型，所以跟肿瘤中的情况还是不一样。不过，这其中应该有相通之处。

　　问题三：ecDNA怎么消除？

　　答：我们在2014年，有一篇Science文章研究了这个问题。我们发现，当ecDNA上面含有EGFR基因的时候，用EGFR的激酶抑制剂，可以“消除”ecDNA。

　　但是，这些ecDNA会“藏”到染色体上。一旦撤药，这些ecDNA就会死灰复燃，重新出现。

　　论文地址：

　　https://science.sciencemag.org/content/343/6166/72

　　上图分别是“拿衣服”，“药物抵抗”，和“撤药”状态。

　　其他组也有在做有关ecDNA的消除机制，包括有用一些抗癌药羟基脲来实现的。

　　我们实验室现在已经发现了ecDNA消除的统一机制，但由于是未发表数据，所以，无可奉告。

　　问题四：不只有癌基因吧，会不会有抑癌基因在上面呢？

　　答：目前我们只发现了上面带有oncogene，但没有发现【经典的】tumor suppressor gene。（为什么要说是【经典】呢，因为鬼知道会不会哪天发现了哪个新的抑癌基因呢。而且我将有一篇合作文章，就找到了一个非经典抑癌基因，逃~）

　　这是我们组2017在Nature上发的文章的数据：

　　Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution and genetic heterogeneity

　　红色的是TCGA数据库上扩增的原癌基因分布，右边是我们的样本。可以看出，两者在扩增的原癌基因的类别上，是有相当大的重合的。

　　问题五：ecDNA是否有统一形成机制？它们的转录和复制是否和染色体DNA一样？

　　并不清楚是否有统一机制。我们仅仅知道，在一些情况下，我们可以人工在正常和肿瘤细胞中创造出ecDNA。但距离这个ecDNA是否有功能，还有很长的距离要走。

　　ecDNA的转录和复制机制，是不清楚的。这就是这个领域有意思的地方，有着大量的未知等着我们去探索。

　　问题六：ecDNA的复制是怎样的？类似于质粒的自我复制还是有其他方式？

　　答：质粒复制可能至少有3种方式，比如θ机制，滚环复制等。但至于ecDNA的复制方式，跟什么比较像？我们现有的数据和假说，有点苗头。但是，具体怎么样，我们也不清楚。这也是我们未来将要研究的问题。

　　别人怎么看？

　　那么，这样一个发现为什么可能带来癌症治疗领域的第四次革命呢？

　　中国科学院遗传学博士李雷在知乎回答了这个问题，并获得了近5.2K的点赞。

　　因为，我们找到了癌基因真正在哪里！

　　在今天，相信路边摆摊的大爷都知道癌基因这种概念，是的，过去几十年，借助测序技术，科学家们研究了大量的和癌症相关的基因，比如nature曾经发不过全球最火的10个基因，第一个就是抑癌基因tp53，其他的也大部分都是癌基因，但是，癌基因的物理位置到底在哪里？我们却一直搞错了。

　　过去我们一直以为癌基因在染色体上，毕竟正常人的基因都是在染色体上，然而，吴思涵他们的研究却发现，在癌症中，这一情况发生了改变，癌细胞中的癌基因竟然从染色体上掉下来，形成了一种特殊的DNA，那就是环状ecDNA。

　　北京大学生命科学学院博士孟浩巍评价道：

　　特别佩服这种原创性的研究，这种研究才真的是开创一个新领域，能过为众多研究人员打开一个新领域的大门；而不是某些人，靠堆人力物力搞军备竞赛，在有限的领域、有限问题里互相抢饭碗。

　　作者简介

△吴思涵

　　吴思涵在中山大学攻读完博士学位后，于2014年加入Paul Mischel Lab。

　　主要研究方向是癌症遗传学和代谢，探究染色体外DNA如何使癌症适应，以及重新编程的细胞代谢如何支持癌症生存。