半个世纪前现身的奇特DNA,张毅团队《自然》论文揭晓其三大秘密

2021-10-22 07:56:37 学术经纬

▎药明康德内容团队编辑

半个多世纪前,科学家们首次在小麦胚胎和公猪精子中看到了一类奇特的DNA。通常在动植物细胞中,我们熟悉的DNA大部分就像一根根长线,通过紧密缠绕,压缩进染色体结构里。然而这种DNA,它们独立存在于染色体外,并呈现出一个个环状。因此,这些DNA就很自然地被称为染色体外的环状DNA,简称eccDNA

后来,这类eccDNA不断在各种生物的各种组织和细胞中现身,但它们到底从哪里来的,怎么产生的,有什么用,始终是个谜团。

近日,来自哈佛大学的张毅教授带领其研究团队在顶尖学术期刊《自然》发表长文,揭开了eccDNA的起源与发生之谜,并且指出,这类奇特的DNA具有刺激先天免疫反应的功能,将可以为设计疫苗、免疫疗法等提供新的见解

在这项研究中,科学家们首先采用了新的手段来收集和纯化这类DNA,并用纳米孔测序(nanopore sequencing)技术获取了全长eccDNA的序列,从而极大地提高了对eccDNA的理解。

▲研究团队开发了一种分三步有效富集纯化eccDNA的方法(图片来源:参考资料[1])

使用上述方法,研究人员从小鼠胚胎干细胞中识别出了160万个独特的eccDNA,平均长度为1kb。通过详细地分析序列特征并与基因组序列进行匹配,这些DNA的来源之谜被揭开:eccDNA广泛来源于染色体基因组DNA,并且可以由来自不同染色体的基因组片段随机连接形成

▲使用扫描原子力显微镜(SAFM),我们在癌细胞和非癌细胞里都看到了环状的eccDNA(图片来源:参考资料[1])

根据eccDNA序列的大小、分布等特征,研究人员猜测,这些片段的产生与细胞凋亡有关。后续的一系列实验则验证了他们的猜测:当人为诱导细胞凋亡发生,可以增加eccDNA的产生,并且在产生eccDNA的过程中需要DNA连接酶Lig3的参与。

顺着这些发现,研究人员进而揭开了eccDNA的第三个谜团:它们有什么用。因为上述结果表明,eccDNA来源于凋亡细胞,由其基因组DNA片段连接产生;而以往曾有研究提示,从垂死细胞中释放的DNA可促进免疫反应,而参与先天免疫反应的一些调节因子又有优先结合DNA弯折结构的倾向。综合这些结果,研究人员猜测,环状的eccDNA可以作为免疫刺激剂

▲eccDNA在树突细胞中诱导了200多个基因的显著表达,包括与细胞因子有关的基因(图片来源:参考资料[1])

为验证这一猜想,研究人员在几种典型的免疫细胞中进行了测试。实验结果显示,来源于骨髓的树突细胞、巨噬细胞等对eccDNA十分敏感,极低浓度的eccDNA就可以激活这些免疫细胞,诱导出强烈的免疫反应。

此外,论文还证明了这些eccDNA作为有效的先天免疫刺激剂发挥作用,与其序列无关,而是取决于其成环的特性,并有赖于细胞质中感知DNA分子的Sting通路。

基于这些发现,研究人员对eccDNA潜在的临床意义做出了很多探讨。例如,它们很可能具有佐剂活性,应用于疫苗的设计;而eccDNA介导的免疫应答则可能与某些疾病中观察到细胞因子风暴有关,可以为设计新的疗法提供基础。

张毅教授领导了这项研究(图片来源:哈佛大学张毅课题组官网)

“综合来说,这些发现不仅揭示了eccDNA的起源、生物发生和免疫刺激功能,而且还揭示了它们在免疫应答中的途径和潜在的临床意义。”研究作者在论文中总结道。

从五十多年前发现这些奇特DNA以来,今天科学家们揭示了它们激活先天免疫的全新概念。更详细的机制以及潜在的应用,也将是科学家后续研究的方向。我们拭目以待科学家们的新发现。

参考资料:

[1] Yuangao Wang et al., (2021) eccDNAs are apoptotic products with high innate immunostimulatory activity. Nature. Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04009-w

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