科学家首次解析肿瘤染色体外DNA的环状结构与功能

　　早期研究认为肿瘤中大量扩增的原癌基因存在于染色体上。2017年，来自美国加州大学圣迭戈分校的Paul Mischel教授团队在Nature杂志上指出，它们是以染色体外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）的形式存在的，但ecDNA的结构和功能一直缺乏直接的证据。

　　2019年11月21日，Paul Mischel教授团队再次在Nature杂志上发表了题为“Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression”的文章，该研究首次解析了ecDNA的结构与功能。研究团队利用超微结构电子显微镜、远程光学作图、全基因组测序、计算机分析等技术阐述了ecDNA的四大特点。一是环状结构。研究团队首先结合二代全基因组测序和光学匹配（optical mapping），从序列的角度发现，扩增出来的ecDNA形成了环状结构。进一步使用影像学的方法，包括扫描电镜、透射电镜、3D结构照明显微镜等方法，获得了环状DNA的清晰图片证据，最终证实了肿瘤中的ecDNA确实是环状的。二是大量表达癌基因。研究团队发现ecDNA携带的基因是癌症基因组中表达最高的基因之一，ecDNA编码的癌基因表达量位居癌基因组前1%。三是高度开放的染色质。研究团队使用了ChIP-seq和免疫荧光技术，证实了ecDNA同样具有染色质结构，由核小体单元构成，同时也证实ecDNA含有增强子与启动子的组蛋白修饰（H3K4me1/3，H3K27ac），但却缺乏抑制性组蛋白修饰，如H3K9me3与H3K27me3。通过ATAC-seq，MNase-seq，以及ATAC-see，研究团队进一步发现，ecDNA的染色质是高度开放的，进一步解释了为何ecDNA上的癌基因能够大量表达。四是ecDNA的环状结构可介导超远距离相互作用。研究团队使用染色质构象捕获及测序技术，PLAC-seq（或者叫Hi-ChIP，一种信息简并的Hi-C技术）和4C-seq，以及CTCF与SMC3的ChIP-seq，证实了ecDNA染色质也能形成三维结构，并且存在拓扑相关结构域。同时，由于ecDNA形成了环状结构，远处的DNA元件，就被带到了近处，从而实现了超远距离的相互作用。而这种超远距离的相互作用，还可能形成了新的基因调控回路。