撰文 | YQ
责编 | 翊竑
染色体外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）是指存在于染色体外的DNA。通常我们称的ecDNA是指染色体上脱落下来的DNA片段形成的染色体外环状的DNA分子。早在上世纪，科学家在观察来自癌症患者的癌细胞的时候就发现，在细胞分裂过程中，除了常见的染色体以外，还有一些细小的能够被核酸染料染色的颗粒，在当时并未引起关注。近年来的研究发现，ecDNA发挥了多种功能。ecDNA 可以包含一些癌基因,增加癌基因的拷贝数，促进癌基因的高表达，ecDNA被发现与肿瘤异质性以及一些肿瘤的耐药息息相关。
ecDNA在细胞分裂过程中，不像经典的染色体，具有着丝粒，在纺锤体的牵引下，精确地分配到子代细胞中，ecDNA由于没有着丝粒，通常随机分配到子代细胞中。但是到目前为止尚无确凿的证据证实ecDNA的分配是否是随机的过程，另外对其在增殖的肿瘤细胞中的细胞周期的各个阶段的动态分布仍不明确。
近日，来自美国的The Jackson Laboratory for Genomic Medicine的Roel GW Verhaak与Albert W. Cheng课题组在Cancer Discovery杂志上发表了题为Live-cell imaging shows uneven segregation of extrachromosomal DNA elements and transcriptionally active extrachromosomal DNA hubs in cancer的文章，该文章建立了“CRISPR-based ecTag method”的方法，在活细胞层面详细研究了ecDNA在细胞分裂中的不对称分布的现象，发现了ecDNA可以形成ecDNA hubs，并聚集RNA Pol II,促进ecDNA上的基因转录。
作者首先通过传统的FISH方法检测了肿瘤细胞内的ecDNA的数量，作者发现，ecDNA在同一个病人的肿瘤组织中，在每个细胞内的含量差异较大，统计大量的细胞的ecDNA数量后，发现ecDNA在细胞中的含量趋近于呈现正态分布，而位于染色体上的一些基因的拷贝数在同一个病人的肿瘤组织中趋近于一致。该结果说明了ecDNA在肿瘤细胞中的异质性，提示了其在细胞分裂过程中分布的不对称性。作者进一步检测了ecDNA的数量与ecDNA带有的基因的蛋白表达水平的相关性，发现ecDNA的数量与其上面的基因的蛋白水平呈显著的相关性，进一步说明了ecDNA上面的基因是活跃转录并翻译成蛋白的。
图1. 细胞内ecDNA拷贝数统计
作者进一步利用了基于CRISPR 的标记方法，开发了可以用于在活细胞中标记ecDNA 的ecTag方法，利用live-cell imaging的方法对细胞分裂过程中ecDNA是否确实是不对称地分布到子代细胞中做了详细的研究。作者发现，与预期结果一致，ecDNA在细胞有丝分裂过程中在子代细胞中的分布是不均一的，随机地分布在子代两个细胞中，并且在有丝分裂过程中，ecDNA可能也会固缩形成较为致密的结构。
图2. ecTag设计原理图
在用ecTag研究活细胞分裂的ecDNA的过程中，作者发现ecDNA在大多数的细胞中倾向于聚集在一起形成明亮的点状聚集的 “hubs”结构。进一步的研究发现这种hub状的结构中可以募集RNA polymerase 2，从而促进ecDNA上的基因的转录。研究发现，当细胞内的ecDNA hubs结构越多，越大ecDNA上的基因的转录活性就越高。因此，发现了细胞内的ecDNA可以聚集在特定的空间内，募集RNA polymerase 2等促进基因转录的蛋白，从而促进ecDNA上面的基因的高效表达。
综上，该研究通过设计ecTag，在活细胞层面追踪了ecDNA在细胞分裂过程中的分布，进一步证实了之前的关于ecDNA不对称分布的猜测。另外，还发现了ecDNA在细胞内会发生聚集，从而促进其自身携带基因的转录。另外，ecDNA 在有丝分裂过程中如何复制以及在癌细胞内形成hub状结构的调控机制仍不明确，需要进一步的研究予以阐明，这些分子机制的阐明，有助于抗肿瘤治疗的药物的研发。
原文链接：
DOI: 10.1158/2159-8290.CD-21-1376
制版人：十一
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