尋找治癌“靈丹妙藥” 染色體外環(huán)狀DNA或是關鍵所在
實習記者 于紫月
DNA幾乎是無人不知、無人不曉。作為我們的遺傳物質，人體內大部分DNA都緊密折疊在細胞核中的染色體里。癌癥，是全人類面臨的惡性疾病。數(shù)十年來，科學家們一直試圖從DNA中找到癌癥的起因和治癌的“靈丹妙藥”。作為DNA的聚居地，染色體自然是研究的重點目標。
近日，來自美國路德維希癌癥研究所、德國夏洛蒂醫(yī)科大學等機構的研究人員卻先后發(fā)現(xiàn)，位于染色體外的環(huán)狀DNA在癌癥的發(fā)生、發(fā)展中扮演著更為重要的角色。相關研究成果在《自然》《自然·遺傳學》等國際權威期刊一經(jīng)發(fā)表，迅速引起全球關注，甚至有人預言：環(huán)狀DNA才是未來癌癥治療的重點。
環(huán)狀DNA和染色體究竟有什么聯(lián)系？它又是怎樣導致癌癥并縱容腫瘤發(fā)展的？
環(huán)狀DNA不止癌中有
“環(huán)狀DNA和染色體上DNA一樣，都是一種三級結構。”哈爾濱醫(yī)科大學遺傳學研究室副研究員朱靜在接受科技日報記者采訪時表示，DNA中的4種堿基排列順序被稱作一級結構，兩條多核苷酸鏈反向平行纏繞生成的雙螺旋結構是二級結構，而雙螺旋結構進一步盤曲、纏繞就形成了染色體等DNA的三級結構。
“從整個自然界看，環(huán)狀DNA是普遍存在的。”朱靜介紹，例如原核生物的遺傳物質、細菌DNA以及其胞質中的質粒DNA都呈現(xiàn)環(huán)狀，即使在人類等高等生物中，也同樣存在大量環(huán)狀DNA。可見，染色體外的環(huán)狀DNA是一個較為龐大的“家族”，其中，“個頭”較大（大小從幾百kb到數(shù)Mb堿基）、主要存在于癌細胞中的環(huán)狀DNA（ecDNA，如雙微體等）是學者們研究的重點之一。前文提及的新研究中的研究對象就是此類環(huán)狀DNA。一般認為，人體內的ecDNA由染色體上脫離的片段經(jīng)過重組和首尾相連環(huán)化而成。
記者了解到，早在1965年，科學家就在人體腫瘤細胞中發(fā)現(xiàn)了環(huán)狀DNA，當時科學家們稱其為雙微體。此后的研究證明，雙微體可以攜帶癌基因。2017年，美國加州大學圣迭戈分校保羅·米切爾教授領導的課題組對17種腫瘤、2000多種細胞系進行測序分析，發(fā)現(xiàn)超過一半腫瘤細胞中存在ecDNA，而且不少都攜帶致癌基因。
比較大的環(huán)狀DNA（ecDNA）主要存在于腫瘤細胞中，比較小的環(huán)狀DNA則廣泛存在。2018年3月，美國哥本哈根大學的研究團隊從16名健康男性身上分離并測序了約10萬種來自肌肉和血液白細胞樣本的環(huán)狀DNA，它們大小相差萬倍，部分可以容納一個或多個可以表達的基因。
研究人員計算發(fā)現(xiàn)，每100個白細胞核含3.5—5.6個不同的環(huán)狀DNA。而在肌肉組織中，每100個細胞含0.85—0.93個不同的環(huán)狀DNA。這樣的結果表明，環(huán)狀DNA絕非癌細胞獨有，而是廣泛存在于人體組織中。不過，相比當年發(fā)現(xiàn)的雙微體，這些健康細胞中的環(huán)狀DNA要小得多。
擴增+環(huán)化帶來致癌性
“事實上，類似雙微體等大型ecDNA在人體中是非常罕見的，一般只在癌細胞和衰老細胞中存在，其中癌細胞中最為常見。”朱靜談到，因此，專家們一直認為，大型ecDNA和癌癥是密切相關的。
“此前對ecDNA致癌的研究主要停留在它的擴增性上。”朱靜介紹，ecDNA沒有染色體上的著絲粒，所以當細胞分裂時它不會像染色體一樣平均分配，而是隨機進入子細胞中。這種隨機性會帶來一些細胞中ecDNA數(shù)量的持續(xù)上升，進而導致ecDNA上的基因表達量提高，這就是所謂的基因擴增。眾所周知，正常人體細胞的DNA應該集中在23對染色體中，過多的ecDNA會影響基因組的穩(wěn)定性，而大量ecDNA表達會使細胞偏離正常軌道。如果擴增的是攜帶致癌基因的ecDNA，就可能會導致癌癥的發(fā)生和演進。
“最近的研究則超越了這種擴增性，加深了對ecDNA本身環(huán)化的認識。”朱靜表示，一方面，DNA片段從染色體上脫離再重新結合為ecDNA時，可能使DNA序列發(fā)生改變，細胞基因組的復雜性增強，同時擴增的增強子等序列可以因為拓撲學構象改變而更有機會發(fā)揮調控功能，并且ecDNA可以呈現(xiàn)更松散的結構，基因更易于表達；另一方面，ecDNA可能再次回插到染色體中，在此過程中可能激活致癌基因或者讓抑癌基因的停止表達，這些都可能帶來癌癥。
2019年11月，路德維希癌癥研究所吳思涵等人在《自然》雜志撰文指出，“ecDNA上的癌基因，是整個腫瘤基因轉錄組當中，表達水平最高的基因之一。”他們使用亞顯微結構成像、光學圖譜、全基因組測序等多種手段，清晰展示出ecDNA的結構，并且實驗證實了“大量轉錄的癌基因mRNA，就是直接來自ecDNA”。
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，由于細胞分裂中ecDNA分配存在隨機性，不同癌細胞之間ecDNA含量差異巨大。這提高了癌細胞的多樣性，使其抗藥能力上升。因此，如果是ecDNA擴增導致的癌癥，其治療效果將更為糟糕。
無獨有偶，2019年12月，夏洛蒂醫(yī)科大學的研究團隊在《自然·遺傳學》雜志發(fā)文，他們繪制出了兒童癌癥中ecDNA精細化圖譜，闡述了染色體外環(huán)狀DNA誘發(fā)兒童癌癥的過程。
測序技術加深對ecDNA作用機制認識
“近段時間以來，在ecDNA的研究領域，國際上接連取得一些突破，很大程度上得益于生物實驗技術的進步。”朱靜認為，近期的研究比較集中地深入到ecDNA是否有特殊的表達和調控機制上，是ecDNA研究發(fā)展的必然趨勢之一，在研究目的上符合學界對ecDNA相關特征的疑問，但此前沒有合適的技術手段。隨著測序技術，如高通量測序技術及其衍生技術（包括DNA水平的二代測序、三代測序、轉錄組水平測序和表觀調控組學研究等），以及生物信息學分析等技術的發(fā)展成熟和成本降低，進一步深入研究ecDNA成為可能。
“上述研究成果都充分利用了這些先進技術。”朱靜談到，例如路德維希癌癥研究所的研究就是采用“ATAC-seq（一種高通量測序技術）”等方法證明了ecDNA相比染色體DNA更易表達，這是該技術首次用于這一領域。
“不過，現(xiàn)有的突破仍然停留在ecDNA的作用機制上，雖然為臨床應用奠定了一定基礎，進一步證明了ecDNA在治癌領域的重要性，但是距離臨床應用還需要較多的工作。”朱靜表示，怎樣阻止ecDNA的產(chǎn)生以及怎樣加速消除ecDNA，這些問題仍然沒有解決。ecDNA的產(chǎn)生機制比較復雜，涉及多種通路，難以研制有針對性的藥物，其他阻斷措施既可能沒有效果，也可能影響正常的細胞功能。同時，雖然曾有學者使用羥基脲等藥物加速ecDNA的排出以及用基因敲減等技術降低ecDNA上基因的擴增和表達，并且在一定程度上起到了抑制腫瘤的作用，但這些方式仍處于研究之中。
朱靜認為，如果我們可以證明ecDNA上的某個基因和某種癌癥相互關聯(lián)，就可以將它的擴增作為癌癥檢測標記物。目前在部分腫瘤中，確實已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些反復出現(xiàn)的ecDNA形式的擴增序列。但ecDNA在起源上存在較強的“異質性”，不同個體間可以有較大的差異，在走向應用前還需要更大規(guī)模的臨床研究和分析統(tǒng)計。
