今日凌晨，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）。文章以《Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression》為題發表在Nature《自然》雜誌上。
△來源Nature官網截圖
原文連結：https：//www.nature.com/articles/s41586-019-1763-5
文章第一次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。
這一重大發現，是不是意味著癌症可以治癒了？第一作者吳思涵博士為我們親身解讀。
癌基因的重大發現，癌症研究的曙光
TIMEDOO：可否介紹一下該研究的背景呢？
吳思涵：腫瘤是一種基因疾病，它是由抑癌基因的功能缺失，以及原癌基因的功能亢進引起的。在高通量測序的時代，我們已經把腫瘤的基因組給測了個遍，把每一個鹼基的突變都測得一清二楚。但現在問題來了：癌基因到底存在於什麼地方？
教科書告訴我們，基因在染色體上。然而，我們研究團隊發現，其實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（extrachromosomal DNA，簡稱ecDNA）。
△圖中藍色的部分為DNA，以染色體的狀態存在。而紅色的點，則是癌基因。可以發現，大量的癌基因其實並不在染色體上，而是在染色體之外。
此前，我們團隊分別在Science《科學》和Nature《自然》雜誌上報導，這種ecDNA在腫瘤中是廣泛存在的，大概佔了全部腫瘤案例的1/3。這些攜帶著癌基因的ecDNA，拷貝數往往較高，且其拷貝數是高度動態的。舉個例子，它們的拷貝數，會隨著細胞複製，還有藥物的治療而改變。因此，ecDNA的存在，是驅動腫瘤異質性的重要因素，也是導致腫瘤耐藥的因素。
TIMEDOO：這篇Nature論文報導了什麼新的發現？
吳思涵：這項研究主要有4個重要發現：
1.ecDNA是環狀的
在生物學中，結構決定了功能。因此，我們首先解析了它的結構。我們團隊結合了二代基因組測序、光學匹配（optical mapping）、掃描電鏡、透射電鏡、3D結構照明顯微鏡等方法，揭示了ecDNA的真實結構：和經典的真核生物染色體的紡錘狀不同，這些從染色體上脫落下來的ecDNA，形成一個環狀的DNA分子。
△圖示掃描電鏡下的環狀ecDNA分子
2.ecDNA大量轉錄癌基因
DNA的一個重要功能，是指導編碼基因的轉錄，產生信使RNA（mRNA），並用於指導蛋白質的翻譯。我們發現，ecDNA也在執行著同樣的功能。然而，ecDNA上面存在著癌基因。而ecDNA往往可以高達幾十甚至幾百個拷貝，因此，這些高拷貝的ecDNA，就能轉錄大量的癌基因產物，從而推動腫瘤的進展。
3.ecDNA的染色質是高度開放的
我們身上的每個細胞，都攜帶著原癌基因。但在一般情況下，這些原癌基因是不表達的。因為，人體細胞核裡面的DNA，是會經歷反覆壓縮摺疊，形成常染色質和異染色質。而異染色質裡面的基因，是無法表達的，這其中就包括了一些癌基因。
我們的研究發現，在ecDNA上面，染色質的結構是相對開放的。這就造成了，這些環狀DNA上面的基因，幾乎都能被順利轉錄出來。換句話說，一旦原癌基因從染色體上脫落下來，形成這種環狀的ecDNA，就能夠大量表達。
4.ecDNA的環狀結構產生了新的基因調控迴路
正如第1點所提，結構決定功能。DNA序列之間，是會因DNA的摺疊而產生相互作用的，並進而調控基因表達。而這種相互作用的頻率，會隨著兩段DNA之間的距離的增大而降低，對基因調控的作用也越來越弱。
△圖示DNA相互作用。在線性的條件下，因基因A和B相鄰較近，有較強的相互作用，而C距離A較遠，相互作用力較弱。而一旦形成環狀的ecDNA，原本距離較遠的C就和A相鄰，從而增強相互作用。
但是，ecDNA是環狀的，這就導致了原本相距很遠的DNA片段，被連接到了一起，從而實現了超遠距離的相互作用，實現超遠距離的基因調控。這就好比物理學中假想的蟲洞超時空旅行，把原本相距很遠的空間給連接到了一起——比如哆啦A夢大長篇裡面的一個經典劇情。
△《大雄的宇宙開拓史》
TIMEDOO：這項研究對腫瘤的臨床治療有什麼重要意義呢？
吳思涵：要是說，這項研究出來後，腫瘤就有救了，那是非常不負責任的。作為嚴謹的科學家，我們的解讀是：
第一次正面解析了癌基因所在的ecDNA的結構，並且闡明了其基本功能，這為後續的基礎與應用研究，奠定了重要的基礎。由於ecDNA在腫瘤中廣泛存在，因此，解析其結構與功能，將有助於後續一系列問題的研究，包括ecDNA是如何產生，如何複製，以及如何運動的。只要找到腫瘤維持ecDNA穩態的機制，我們甚至有辦法研發出一種通用的抗腫瘤策略，即直接靶向ecDNA進行抗腫瘤治療。但是，目前距離實現這個目標，還有相當長的距離。我們團隊，也在不斷地超著這個目標前進。
目前我們已經在更大的人群範圍中，去研究ecDNA對腫瘤發生發展的意義。由於是尚未發表的數據，不便透露結論性的東西。目前能講的是，學術界應該更加重視ecDNA之於腫瘤的意義。尤其是對研究腫瘤遺傳學和基因組學的同行來說，切莫忽視ecDNA的重要性。
TIMEDOO：聽吳博的潛臺詞，是說ecDNA一直是被科學家所忽視了，這是什麼原因呢？
吳思涵：是這樣的。實際上，有關腫瘤中存在ecDNA的證據，早在1965年的時候就發現了。然而多年過去，這個發現並沒有被寫進教科書。我猜，這其中有兩個重要原因：
△1965年，The Lancet《柳葉刀》首次報導了染色體外DNA的存在。然而半個世紀過去，卻鮮有人重視。
第一，2011年有團隊估計，ecDNA陽性的腫瘤案例比例，僅有1.4%。然而我們是不認可這個數據的，也因此催生了我們2017年刊登在Nature《自然》雜誌上的研究，指出總體比例應該高達1/3。在某些腫瘤中，這個比例甚至逼近90%。不過，我們也大概推測到為何前人會低估。原因是，ecDNA太小了，在顯微鏡下，如果不仔細觀察，甚至很難發現。我們2017年的研究，是結合了二代測序以及螢光原位雜交技術，這才得以定位ecDNA，從而檢出許多以前未能發現的ecDNA。
第二，現在大家越來越依賴於測序技術，而傳統的細胞遺傳學方法（即在顯微鏡下觀察染色體這類技術），則逐步被遺忘了。然而，雖然測序技術的DNA序列解析度很高（即能輕易地解析單個鹼基的突變），但其空間解析度卻很低。反過來，細胞遺傳學技術，比如螢光原位雜交，雖然不能精確地檢查DNA鹼基的突變，但是，其空間解析度卻很高，能夠知道癌基因的空間定位。因此，只有將這兩項技術結合起來，才能夠有效地研究腫瘤遺傳學。這也是我們團隊所推崇的研究路線：測序和影像，一個都不能少。
△魚與熊掌不可得兼。雖然基因組測序的鹼基序列解析度極高，但卻丟失了空間分布的信息。只有和傳統的影像學技術相結合，才能徹底解析腫瘤的基因組。
令人關注的華人生物科學家
TIMEDOO：可否簡單介紹一下你們的科研團隊？
吳思涵：我們是一支精悍、專業的隊伍，由Paul S. Mischel教授領導。包括PI、主管、博士後、研究生、研究員和行政助理在內，目前只有9人。然而就是這麼一支小隊伍，我們在2019年，連發了兩篇Nature，一篇Cell Metabolism，還有一篇即將上線的Nature Reviews Cancer。每一位博後與研究生，都有獨立的研究課題，但我們總是相互幫助，參與到每一個人的研究中。這也是我們能夠持續保持學術產出的關鍵。我們歡迎來自世界各地的博士加入我們的科研團隊，擴充博士後隊伍。
△Paul Mischel教授團隊（第一排右3），吳思涵（第一排右1），目前有博士後3名，博士研究生2名，研究員1名，實驗室主管1名，行政助理1名。
我們的研究領域是腫瘤遺傳學與代謝。就如前面所說的，腫瘤是一種基因疾病，因此，腫瘤研究的根基學科，就是腫瘤遺傳學。不過，在遺傳學領域有一個著名「公式」：基因型 + 環境 = 表型。這裡的表型，指的就是腫瘤。而基因與環境，就類似種子與土壤的關係。因此，光研究基因是不夠，還需要去注重何種環境才能滿足腫瘤的生長。而代謝，正是連結細胞外部環境與細胞內部事件的重要環節，因此，我們實驗室的根基，就是腫瘤遺傳學與代謝。
如果對我們實驗室感興趣，還可以訪問我們的網站：https：//paulmischellab.org/
TIMEDOO：導師Paul Mischel教授是什麼樣的人？
吳思涵：我對Paul的印象，主要可以總結為3點吧：1）思維活躍，思路寬廣。他經常可以從「不可思議」的角度提出科學問題，而這正是創新性研究的基礎。2）文筆優雅。他寫的文字，包括論文，已經到了雅的境界。因為他最開始是學哲學的，後來才進的醫學院，並拿到了MD和PhD學位，所以他的文字功底非常好。3）對學生和博後給予充分的指導與鼓勵。Paul和一些「放養」團隊的教授不同，他會主動地參與到每一個人的研究中，除非出差，他幾乎每天都在實驗室，並且每天花至少5-10分鐘和每個人交流工作。
△Paul S. Mischel， M.D.， Ph.D，美國加州大學聖地牙哥分校病理學傑出教授，美國科學促進會（AAAS）會員，美國醫師學會會員，美國臨床研究協會會員。
TIMEDOO：在求學和職業發展過程中，有沒有什麼事情對你產生了重大的影響？
吳思涵：我談兩件事，一件和學術有關，一件看似和學術無關但其實非常重要。
第一件事，是自己邁過了一個坎。在直博的第四、五年間，我發現自己的思維非常局限，感覺在原地踏步，亟需成長。雖然後來拿到了去加州大學做博後的offer，但是在入職的頭一年，發現在研究所三層樓裡面，每一個人都是那麼優秀，就更加感受到了自己的局限性，甚至有想過放棄學術，發展其他事業。不過後來Paul跟我說，每一個人能夠來到這裡，都有一個具體原因。而我之所以能夠加入這個團隊，是有足夠強大的創造力。而當邁過自我否定與懷疑的坎之後，整個人如脫胎換骨，有了新的成長。
第二件對我成長有極大幫助的，是以前在中山大學讀書期間，多年的藝術團經驗。其中，合唱團對我的影響是巨大的，不光鍛鍊了我的發聲、口才、辦事能力、領導能力，多年的舞臺經驗也對我個人的形象氣質，有重大的助益。比如說，現在去公開場合講報告，都是信手拈來。當然，這背後也是謹記藝術團老師的教誨：成功的前提是熟練。所以我特別感謝中大藝術團的幾位老師對我的栽培。同時我也建議師弟師妹們不要一頭悶在實驗室裡，要利用在學校的時間，去全方位培養自己的能力與素質。
TIMEDOO：聽說你是科普網紅？為什麼想著要寫科普呢？目前主要的創作平臺？
吳思涵：呵呵，算是涼掉的過氣網紅吧。我覺得，作為科研人員，除了做好具體的科學工作外，還需要承擔社會責任。因為，科研基金主要來自國家的撥款，而國家的撥款又是從納稅人手裡獲得的。作為科學家，也應對社會負責任。至少應該在力所能及的範圍內，去傳播科學知識。當然，這僅僅是我對自己的要求，並不是說每個科學家都必須這麼做。
在科普創作中，自己也有很多收穫，比如鍛鍊了表達能力。事實上，如果科學家不會寫也不會講，那是不行的。因為要獲取科研經費，是要寫申請書的。而為了獲得合作機會，也需要將自己的研究成果包裝出去，讓更多的科學家來對你的科研產生興趣。
近兩年，我的科普平臺是知識星球「真知拙見」（KnowledgeHot）。「真知拙見」是一個由海內外教授、博士、高管共同運營的高質量付費訂閱中文知識分享社區，在這裡可以和許多不同領域的專家共同交流 。特別有意思的是，這篇Nature論文得到了「真知拙見」社區嘉賓的幫助。其中有個重要的數據分析方法，是和社區裡面的同行學來的。
TIMEDOO：接下來在事業上有什麼規劃呢？
吳思涵：未來還是想繼續從事科研工作。目前在各地尋找一些高校、研究所、或者醫院的獨立科研崗位。由於目前求職季才剛開始，所以未來半年主要就是在忙這件事，希望能到理想的單位就職。
— 專訪華人科學家 —
吳思涵博士，2009年獲得中山大學生命科學學院學士學位，隨後以保送直接攻博的方式，進入中山大學中山醫學院，師從顏光美教授從事腫瘤研究工作。2014年獲得藥理學博士學位後，進入美國加州大學聖地牙哥分校開展博士後工作。曾獲教育部研究生國家獎學金，以及教育部博士學術新人獎。在包括Nature，Nature Reviews Cancer等期刊上發表論文與專著19篇。