十三 栗子 发自 凹非寺
量子位 报道 公众号 QbitAI
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，是肿瘤的整个基因转录组当中，表达水平最高的那部分基因。而染色体上癌基因的表达相对较低。
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：
上为染色体 DNA，下为 ecDNA
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。
因为，我们找到了癌基因真正在哪里！
在今天，相信路边摆摊的大爷都知道癌基因这种概念，是的，过去几十年，借助测序技术，科学家们研究了大量的和癌症相关的基因，比如 nature 曾经发不过全球最火的 10 个基因，第一个就是抑癌基因 tp53，其他的也大部分都是癌基因，但是，癌基因的物理位置到底在哪里？我们却一直搞错了。
过去我们一直以为癌基因在染色体上，毕竟正常人的基因都是在染色体上，然而，吴思涵他们的研究却发现，在癌症中，这一情况发生了改变，癌细胞中的癌基因竟然从染色体上掉下来，形成了一种特殊的 DNA，那就是环状 ecDNA。
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
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：
https://www.zhihu.com/question/356918720
来自:
量子位（ID:QbitAI）
