十三 栗子 发自 凹非寺 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:
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。
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。 主要学术贡献: 2019:Oncogene amplification in growth factor signaling pathways renders cancers dependent on membrane lipid remodeling. 地址:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1550413119303171 2018:Targeting cancer’s metabolic co-dependencies: A landscape shaped by genotype and tissue context 地址:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304419X18300453 2017:Glioblastoma cellular cross-talk converges on NF-κB to attenuate EGFR inhibitor sensitivity 地址:http://genesdev.cshlp.org/content/31/12/1212.short 更多学术贡献详见: https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=O1e4RfAAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate 吴思涵表示,除了科学,还喜欢音乐、艺术、烹饪和科技产品,同时也在帮助运营一个非盈利的科学社区,向普通大众传播生物和医学科学。 传送门 论文: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1763-5 知乎: |