EcRNA被發現了，癌癥能被治療了么？

大家還記得幾年前科學界的頂級刊物《Nature》和《Cell》相繼發表了關于ecDNA的研究論文，隨之這個叫做ecDNA的物質成為大家討論的對象了。眾所周知，DNA是生物體重要的遺傳物質。那ecDNA又是什么呢？為什么會有這么多人關注呢？今天來和大家聊聊。

01，DNA只存在于染色體上？

DNA只存在于染色體上？并不。ecDNA，全稱是ExtraChromosomal DNA。extra，是額外的意思，Chromosomal的意思是染色體的，因此ecDNA的意思就是染色體外DNA。讓我們先回顧下中學時代的一些生物學概念。

染色體，因可以被染料染色得名，是由生物體遺傳物質所在的DNA和組蛋白包被組成。人的基因組有46條染色體，分別是22對常染色體（1-22）和1對性染色體（X/Y）。

早孕期，需要對胎兒進行唐氏綜合征產前篩選檢查，檢測的就是染色體是否異常。

顯微鏡下人體的23對染色體圖。

雖然我們的遺傳物質主要集中在人體的23對染色體上，在這些染色體外，還有一些DNA的存在，這也就是本文提到的ecDNA。

02，和染色體DNA相比，ecDNA有什么不一樣？

首先是外觀上，ecDNA的大小和形狀差別很大。從大小上來看，ecDNA小到幾百，大到百萬級甚至更大都有，而染色體DNA往往是幾千萬到幾億的規模。從形狀上來看，ecDNA有的長得是線性的，有的則是環狀的，而染色體DNA則是扭曲的線性。

從遺傳的角度，ecDNA由于沒有著絲粒，所以它們往往是隨機分配到復制后的細胞。而染色體DNA則是按照平均分配的原則，這一分配的差異也決定了ecDNA在細胞中發揮作用的方式和傳統的染色體DNA有很大區別。

此外，正常的染色體往往是被組蛋白修飾后的一個組合體，并且隨著細胞的狀態呈現出不同的壓縮模式，而ecDNA則是相對要開放許多，也更容易被激活發生轉錄。

可見ecDNA其實是個非常龐大的系統，從分布到功能上都有很大的差異。當然，這些內容，并不是本文的重點，而我們的重點是這些ecDNA中的那些形成了環狀結構的ecDNA。

03，環狀的ecDNA是怎么被發現的？

早在上世紀，科學家就發現了ecDNA的存在。1965年，在著名醫學期刊柳葉刀《the Lancet》上發表了一篇研究，作者在觀察來自癌癥患者的癌細胞時發現，癌細胞在細胞分裂過程中，除了我們常見的完整的染色體外，

會在染色體外出現一些細小的被染色的顆粒。不過，這些細小的染色體顆粒在當時并沒有引起特別大的關注。

1965年the Lancet報道的ecDNA研究 （圖片來源：參考文獻[1]）

也有一些研究人員懷疑過ecDNA和癌癥的關系。遺憾的是，在前期的研究中，只有部分癌細胞出現ecDNA大量復制的情況。這就意味著這個事情可能是十分偶然的，沒有特別的意義。

這些年來，ecDNA的研究一直都是不溫不火。直到2014年，ecDNA開始被重視。美國加州大學圣地亞哥分校Ludwig癌癥研究所的Paul Mischel教授領導的研究團隊重新研究了ecDNA，發現ecDNA竟然和癌癥治療中的抗藥性有關，能影響EGFR基因相關的靶向治療效果。這篇文章使得ecDNA重新回到了研究人員的視線中，該研究也發表在期刊《Science》上[2]。

與此同時，環狀的ecDNA開始備受關注。

04，ecDNA才是癌細胞“兇猛”的原因？

2017年，Paul Mischel教授領導的研究團隊通過對17種癌癥的系統性研究，發現人類一半的癌細胞類型中存在ecDNA，而且其頻率會隨著腫瘤類型發生變化。但是在正常細胞中，ecDNA的存在就十分罕見。

此外，ecDNA還被發現可以有效的擴增癌基因，增加癌基因的拷貝數和腫瘤內異質性。這是首次系統的對ecDNA在癌癥中的存在和作用做出了描述，該成果發表在Nature期刊上。

不同腫瘤中ecDNA的比例存在差異（藍色表示不存在，紅色表示存在）

（圖片來源：參考文獻[3]）

時隔兩年之后，Paul Mischel教授研究團隊采用掃描電鏡、透射電鏡、3D結構照明、二代測序和optical mapping等多種技術結合在一起，想要研究ecDNA的結構。結果發現，和癌癥息息相關的ecDNA有著特殊的結構，那就是：環狀。

進一步用雙色FISH技術也證明了他們解析的結構是正確的。相比于線性的DNA，環狀的DNA不容易降解，這也意味著ecDNA可以在癌細胞中的存活時間增強。

其次，這些ecDNA上包含的基本上是癌基因。而這些癌基因的在ecDNA上的表達，甚至超過了染色體上的本身的基因表達。

癌基因AMP的表達情況，左側藍色表示染色體上的該基因表達，右側的紅色來自ecDNA的該基因表達。（圖片來源：參考文獻[4]）

過去，科學家一直認為癌基因就是存在于染色體上。這一發現表明，雖然癌基因本身存在于染色體上（事實上，癌基因本身也是人體必須的基因，必然存在于染色體上嘛），但是在表達發揮作用的時候，更多的是那些從染色體上脫落下來的ecDNA在發揮作用。

這是我們首次真正意義上證實了這些脫落下來的癌基因，才是真正對癌癥有意義的、高度活躍的癌基因。這是本研究最大的發現之一。

不僅如此，基因功能由結構決定。研究者發現ecDNA的染色質是高度開放的，在生物學上，這意味著存在于ecDMA上的基因是十分的活躍的，可以更加容易的被轉錄出來。這意味著，一旦癌基因從染色體上脫落下來，變成了ecDNA，那么它就可以大量的表達。

此外，研究者還發現，ecDNA的環狀結構可以讓兩個本來很遠的DNA片段被連接在一起，從而實現了超遠距離的相互作用。而基因相互作用增強，也往往對于整個基因的表達有直接的影響，這又進一步增強了ecDNA本身的表達。

ecDNA可以讓基因的關系突破距離限制

可以說，這篇研究非常細致的呈現了ecDNA本身的結構以及ecDNA發揮作用的一些方式，并證實了ecDNA才是癌基因大量存在并活躍轉錄的地方，因此，從某種程度上，這篇文章真正的找到了癌癥中癌基因的真實所在。

《Cell》上的研究發現了ecDNA在增強癌基因表達中的作用。來自美國凱斯西儲大學的Peter C. Scacheri與加州大學圣地亞哥分校的Jeremy N. Rich合作研究發現，ecDNA的出現，可以讓癌基因與鄰近的增強子（顧名思義，增加基因表達的元件）相互聯系，并且加強已有的表達，甚至是建立新的聯系，促進癌癥的發展。

如下圖所示，黃色元件是增強子，綠色元件是癌基因，正常的拓撲情況下，癌基因只能和一些增強子相關，而變成ecDNA后，這種關系得到了顯著增強。

cDNA可以增強癌基因的表達 （圖片來源：參開文獻[5]）

05，EcRNA被發現了，癌癥能被治療了么？

對于廣大讀者，更關注的是ecDNA對于癌癥治療究竟有什么作用呢？靶向它治療究竟能不能解決癌癥呢？

遺憾的是，到目前為止，我們只能做出一些猜測。從某種角度，這是一個全新的領域，是一個全新的研究。大家對于ecDNA都是陌生的，我們只是管窺了一下ecDNA的某一角，還需要更加深入的系統的研究來徐徐掀起ecDNA面紗，呈現出它更加全面的樣子。

當然，一些研究的內容也讓我們看到了ecDNA在癌癥治療作用中的希望。ecDNA的出現，會極大的增強癌細胞中基因的表達，讓癌癥的惡化程度增強。而前期也有研究證實使用相關的激酶抑制劑可以消除ecDNA。但是ecDNA也有一系列逃脫的辦法，“藏”在染色體里，一旦藥物撤離后，ecDNA就會死灰復燃，重新出現。這也是癌癥為什么難以治愈的可能因素之一。

值得一提的是，目前已經有專門的生物技術公司開始朝著這個方向努力了。見微知著，無論是從連續兩篇頂級期刊的發表，還是從相關公司專門對其的靶向藥物開發，都似乎在昭示著，這是一個很值得關注和重視的內容。我們可以預期，在不遠的將來，針對ecDNA的研究將會越來越多，而相關的藥物也會不斷涌現，為癌癥的治療提供新的策略。

當然，我們必須指出，理論和現實還是有很多距離，癌癥也絕對不是一蹴而就可以攻克的，但是只要我們在努力，在前行，必然會讓我們治療癌癥的手段越來越多，最終某一天，讓我們不再“談癌色變”！

參考文獻

1. Cox D, Yuncken C, Spriggs A I. Minute chromatin bodies in malignant tumours of childhood[J]. The Lancet, 1965, 286(7402): 55-58.

2. Nathanson D A, Gini B, Mottahedeh J, et al. Targeted therapy resistance mediated by dynamic regulation of extrachromosomal mutant EGFR DNA[J]. Science, 2014, 343(6166): 72-76.

3. Turner K M, Deshpande V, Beyter D, et al. Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution and genetic heterogeneity[J]. Nature, 2017, 543(7643): 122.

4. Wu S, Turner K M, Nguyen N, et al. Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression[J]. Nature, 2019: 1-5.

5. Morton A R, Dogan-Artun N, Faber Z J, et al. Functional Enhancers Shape Extrachromosomal Oncogene Amplifications[J]. Cell, 2019.