Nature最新論文驚人發現,最強癌基因竟然不在染色體上……

未來癌症真的可以治癒嗎？

鈦媒體注（微信ID：taimeiti）： 近日，美國加州大學聖地牙哥分校 Ludwig 癌症研究所的 Paul Mischel 教授領導的研究團隊發現，大量的癌基因並不在染色體上，而是會從染色體上脫落下來，變成一種小型的 DNA，稱為染色體外 DNA（ecDNA），並發文在 Nature《自然》雜誌上。

文章裡正面解析了癌基因所在的 ecDNA 的結構和基本功能，這為後續的基礎與應用研究，奠定了重要的基礎。這個發現對未來癌症研究有何意義？下文作者十三、慄子（來源量子位，IDQbitAI）。鈦媒體獲授權轉載，略經鈦媒體編輯。

癌症難治，罪魁禍首竟然是你！

在癌症治療領域，曾經存在過三次革命：

第一次革命：化療；

第二次革命：靶向療法；

第三次革命：免疫療法。

如今，隨著一篇Nature論文的發布，又興起了「第四次革命」的說法，主角居然是染色體外DNA (ecDNA) 。

雖然上世紀60年代便有人發現了這種環狀DNA的存在，也知道它會攜帶癌基因。但從前沒人直接觀察過ecDNA、沒人指出它對腫瘤的生長有多關鍵。

而Nature發布的新研究中，科學家終於首次直接觀察了ecDNA (不止基因測序) ，並證明了它的重要性：

ecDNA上的癌基因，是腫瘤的整個基因轉錄組當中，表達水平最高的那部分基因。而染色體上癌基因的表達相對較低。

ecDNA上的癌基因之所以比染色體上的癌基因更能發揮作用，主要是因為不像染色體那樣受到嚴格保護，它更容易讀取，能快速擴增，具有侵略性。從前，癌症科學家專注於染色體，而新的研究有助於改變他們對腫瘤的認知。

研究成果來自路德維希癌症研究所 (Ludwig Cancer Institute) 和加州大學聖地牙哥分校，論文的一作是位名叫吳思涵的華人學者。

研究結果一經公布，便引起了廣泛關注，在知乎熱榜上已有600+萬的熱度。

網友點評，這次發現或許將帶來癌症治療領域的第四次革命。

一作吳思涵也站了出來，親自對這個話題下讀者的種種問題答疑解惑。今天，量子位就帶大家領略一下這篇重要的研究。

更強大的癌基因

首先介紹一下，ecDNA不是原本就長在染色體之外，而是在細胞有絲分裂中期，從染色體上脫落下來成環的DNA分子，常常帶有癌基因。這是已有的研究成果。

從前，科學家們大多是依靠基因測序，來觀察DNA裡的癌基因。一門心思找出那些會促發癌症的基因，卻忽略了基因的物理位置，在癌症中的意義。

而這個問題很重要，它會影響人們對癌症原理的理解，也會影響人們尋找治療方案的思路。

既然不能只用基因測序，那還要怎麼辦？

首先，團隊把亞顯微結構成像 (Ultrastructrual Imaging) 、光學匹配 (Optical Mapping) 、全基因組測序 (WGS) 等等搭配在一起，清晰展現出了環狀DNA的形態，就是黃色標註部分：

雖然，1960年代便有科學家發現過ecDNA的存在，也提出它是環狀DNA，但這篇論文給出了完整的證明，前人沒有做到過。

而在了解結構的同時，也可以發現ecDNA上普遍帶有癌基因。

ecDNA上的癌基因和染色體DNA上的癌基因，都會被轉錄，從而推動癌症病情的發展。

但由於兩類癌基因所在的位置不同，發揮的作用也無法等同。

下圖可以看出，環狀DNA比染色體上的線性DNA，擴增能力要強許多，也就更有能力支持癌基因的表達：

也就是說，ecDNA能產生大量的副本。

結合同一支團隊2017年發表的Nature研究，有絲分裂當中副本不會平均分到兩個細胞裡，而是隨機分配。這就導致不同細胞之間，ecDNA含量差異巨大，副本越多差異越大。腫瘤細胞有了充足的多樣性，便能更好地應對環境變化。

這裡說的環境變化，很大程度上是指患者接受了化療/放療等等。換句話說，多樣性可以支持腫瘤快速進化，產生抗藥性。這也是晚期癌症難治的原因之一。

所以，癌基因大量擴增之後，就能大量表達麼？

在剛剛發表的論文裡，團隊也用實驗證明，癌細胞裡表達水平更高的那些癌基因，就是來自ecDNA身上的癌基因：

這是測序結果，上面是癌基因轉錄的mRNA序列，下面是癌基因本身的DNA序列。左邊黃色部分，是高擴增高轉錄的ecDNA，右邊是低擴增低轉錄的染色體DNA。

如此一來，高擴增與高轉錄 (高表達) 之間的因果關係，得到了證明。也就是說，比起染色體上的癌基因，ecDNA上的癌基因有更強的力量，推動癌症病情向前發展。

那麼問題來了，ecDNA畢竟是從染色體上脫落的，為什麼染色體上的癌基因，就沒有那麼大的威力呢？

團隊說，這是因為ecDNA的開放性比染色體要強很多。

一是測序實驗證明了，ecDNA表面缺少抑制轉錄的組蛋白修飾 (Repressive Histone Mark) ，同時又有活躍型的組蛋白修飾；而且，這些組蛋白又在啟動子 (轉錄開始) 的位置上。

相比之下，染色體DNA上的基因，通常是被抑制轉錄的。

二是ecDNA作為一種環狀DNA，沒有染色體的那種高級壓縮結構 (Higher-Order Compaction) ，這也會讓基因轉錄變得更容易：

△ 上為染色體DNA，下為ecDNA

至於ecDNA的大規模複製，到底是怎樣達成的，團隊也還在研究中。

不過，目前的研究成果，帶來的最重要的啟發大概就是：

不要只盯著染色體上的癌基因，環狀的ecDNA也可能帶我們找到新的癌症治療方法。

一作吳思涵現身答疑解惑

按照「謝邀，人在知乎，剛發《Nature》」的慣例，論文一作吳思涵如約現身知乎，對論文進行了答疑解惑。

量子位經授權，對問題和作者的解答做了整理。

問題一：癌症的三大特性：侵襲性，即癌症可以把周圍的正常細胞變成癌細胞。

這種策略，是不是通過這種ecDNA實現的呢？畢竟在廣大生物中，通過質粒傳遞這種基因水平轉移是廣泛存在的——CNS級別

答：首先，我們在下一篇文章中，就有在關注ecDNA和腫瘤轉移的關係（侵襲暫無數據）。但是，這是未發表數據，所以不便透露。而且我個人還在質疑目前數據的可靠程度，因為我認為還需要進行更多細緻的亞組分析，才能給出答案。

至於ecDNA能否實現類似質粒一般的橫線轉移，我們的猜測，是有可能。但是，機率多大？有沒有生物學意義？這是目前不清楚的。

問題二：ecDNA怎麼從染色體上掉下來？

所有現有的證據都指向，ecDNA的形成，極大機率和DNA損傷（尤其是DNA雙鏈斷鏈）有關。

其中，以前跟我們同一個實驗樓的前輩有文章表明，lagging chromosome對導致染色體碎裂，並在一些情況下，會在子代細胞中形成ecDNA。

但由於他們用的是一個人造的lagging Y染色體模型，所以跟腫瘤中的情況還是不一樣。不過，這其中應該有相通之處。

問題三：ecDNA怎麼消除？

答：我們在2014年，有一篇Science文章研究了這個問題。我們發現，當ecDNA上面含有EGFR基因的時候，用EGFR的激酶抑制劑，可以「消除」ecDNA。

但是，這些ecDNA會「藏」到染色體上。一旦撤藥，這些ecDNA就會死灰復燃，重新出現。

論文地址：

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

上圖分別是「拿衣服」，「藥物抵抗」，和「撤藥」狀態。

其他組也有在做有關ecDNA的消除機制，包括有用一些抗癌藥羥基脲來實現的。

我們實驗室現在已經發現了ecDNA消除的統一機制，但由於是未發表數據，所以，無可奉告。

問題四：不只有癌基因吧，會不會有抑癌基因在上面呢？

答：目前我們只發現了上面帶有oncogene，但沒有發現【經典的】tumor suppressor gene。（為什麼要說是【經典】呢，因為鬼知道會不會哪天發現了哪個新的抑癌基因呢。而且我將有一篇合作文章，就找到了一個非經典抑癌基因，逃~）

這是我們組2017在Nature上發的文章的數據：

Extrachromosomal>紅色的是TCGA資料庫上擴增的原癌基因分布，右邊是我們的樣本。可以看出，兩者在擴增的原癌基因的類別上，是有相當大的重合的。

問題五：ecDNA是否有統一形成機制？它們的轉錄和複製是否和染色體DNA一樣？

答：並不清楚是否有統一機制。我們僅僅知道，在一些情況下，我們可以人工在正常和腫瘤細胞中創造出ecDNA。但距離這個ecDNA是否有功能，還有很長的距離要走。

ecDNA的轉錄和複製機制，是不清楚的。這就是這個領域有意思的地方，有著大量的未知等著我們去探索。

問題六：ecDNA的複製是怎樣的？類似於質粒的自我複製還是有其他方式？

答：質粒複製可能至少有3種方式，比如θ機制，滾環複製等。但至於ecDNA的複製方式，跟什麼比較像？我們現有的數據和假說，有點苗頭。但是，具體怎麼樣，我們也不清楚。這也是我們未來將要研究的問題。

別人怎麼看？

那麼，這樣一個發現為什麼可能帶來癌症治療領域的第四次革命呢？

中國科學院遺傳學博士李雷在知乎回答了這個問題，並獲得了近5.2K的點讚。

因為，我們找到了癌基因真正在哪裡！

在今天，相信路邊擺攤的大爺都知道癌基因這種概念，是的，過去幾十年，藉助測序技術，科學家們研究了大量的和癌症相關的基因，比如nature曾經發不過全球最火的10個基因，第一個就是抑癌基因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裡？我們卻一直搞錯了。

過去我們一直以為癌基因在染色體上，畢竟正常人的基因都是在染色體上，然而，吳思涵他們的研究卻發現，在癌症中，這一情況發生了改變，癌細胞中的癌基因竟然從染色體上掉下來，形成了一種特殊的DNA，那就是環狀ecDNA。

北京大學生命科學學院博士孟浩巍評價道：

特別佩服這種原創性的研究，這種研究才真的是開創一個新領域，能過為眾多研究人員打開一個新領域的大門；而不是某些人，靠堆人力物力搞軍備競賽，在有限的領域、有限問題裡互相搶飯碗。

作者簡介

吳思涵

吳思涵在中山大學攻讀完博士學位後，於2014年加入Paul Mischel Lab。

主要研究方向是癌症遺傳學和代謝，探究染色體外DNA如何使癌症適應，以及重新編程的細胞代謝如何支持癌症生存。

主要學術貢獻：

吳思涵表示，除了科學，還喜歡音樂、藝術、烹飪和科技產品，同時也在幫助運營一個非盈利的科學社區，向普通大眾傳播生物和醫學科學。