Paul Mischel教授团队首次解析了ecDNA的结构与功能

   日期:2019-11-22     来源:贤集网    浏览:174    
核心提示:2019年11月21日,Paul Mischel教授团队再一次在Nature杂志上发表了长文文章Circular ecDNA promotes accessible chromatin andhigh oncogene expression,首次解析了ecDNA的结构与功能。
  2019年11月21日,Paul Mischel教授团队再一次在Nature杂志上发表了长文文章Circular ecDNA promotes accessible chromatin andhigh oncogene expression,首次解析了ecDNA的结构与功能。
  
       该研究主要有以下4个突破性成果:

       1)  ecDNA是环状的;

       解析ecDNA的结果,是阐明ecDNA功能的第一步。研究团队首先结合二代全基因组测序和光学匹配(optical mapping),从序列的角度发现,扩增出来的ecDNA形成了环状结构。团队进一步使用影像学的方法,包括扫描电镜、透射电镜、3D结构照明显微镜等方法,获得了环状DNA的清晰图片证据,最终证实了肿瘤中的ecDNA确实是环状的。
  图示扫描电镜下的环状ecDNA分子

       2)  ecDNA大量表达癌基因

       通过RNA-seq技术并结合SNP分析,研究团队发现,肿瘤中的环状ecDNA也能指导基因的转录。由于ecDNA的拷贝数往往较高(甚至比扩增于染色体的拷贝数更高),且携带癌基因,因此在肿瘤中,主要的癌基因转录本是直接来自于ecDNA的。通常,这些高拷贝的ecDNA,能使得癌基因的转录丰度,上升至整个转录组的前1%。
  
       左图示ecDNA携带基因(红色数据点)在转录组中的丰度,其中原癌基因EGFR的丰度超过1%百分位。右图示基因扩增于染色体(蓝色)与ecDNA(红色)的拷贝数分布,可见ecDNA允许更高的基因拷贝数。

       3)  ecDNA的染色质是高度开放的

       拷贝数是决定基因表达量的重要因素,但不是唯一因素。DNA的表观遗传修饰以及三维结构,能够决定基因是否表达。研究团队使用了ChIP-seq和免疫荧光技术,证实了ecDNA同样具有染色质结构,由核小体单元构成。同时,ecDNA上含有增强子与启动子的组蛋白修饰(H3K4me1/3,H3K27ac),但却缺乏抑制性组蛋白修饰,如H3K9me3与H3K27me3。通过ATAC-seq,MNase-seq,以及ATAC-see,研究团队进一步发现,ecDNA的染色质是高度开放的,进一步解释了为何ecDNA上的癌基因能够大量表达。

  
       绿色为荧光原位杂交探针信号,指示ecDNA;红色为ATAC-see,指示开放染色质。两项技术相结合,研究团队在单细胞水平,证实ecDNA染色质是高度开放的。

       4)  ecDNA的环状结构介导超远距离相互作用

       染色质的三维结构,允许DNA元件之间发生相互作用。比如染色质成环,介导了增强子与启动子之间的相互作用,从而推动基因的表达。这种相互作用频率,会随着空间距离的增大而减小。研究团队使用染色质构象捕获及测序技术,PLAC-seq(或者叫Hi-ChIP,一种信息简并的Hi-C技术)和4C-seq,以及CTCF与SMC3的ChIP-seq,证实了ecDNA染色质也能形成三维结构,并且存在拓扑相关结构域。同时,由于ecDNA形成了环状结构,远处的DNA元件,就被带到了近处,从而实现了超远距离的相互作用。而这种超远距离的相互作用,还可能形成了新的基因调控回路。
  
       相比染色体DNA(灰色),环状的ecDNA(红色)可以介导的超远距离相互作用,因后者能将远处的DNA元件给连结到近处。

       此外,为了更好地将ecDNA的结构与功能联系起来,研究团队还开发了一种新的基因组数据可视化方式:将环状的ecDNA,以环状图谱的形式展示出来。这有利于理解ecDNA的环状结构如何赋予其独特的功能。
  
       ecDNA环状图谱,将全基因组测序,RNA-seq和ATAC-seq数据整合为一的数据可视化方式。

       最后,作者指出,环状的ecDNA在肿瘤中普遍存在,同时由于缺乏着丝粒,导致不遵照孟德尔定律进行遗传。这样的特性,使得ecDNA是驱动肿瘤异质性的重要机制,这将对肿瘤的治疗带来极大的挑战。

       据悉,文章的第一作者是来自中国的吴思涵博士。吴博士2014年于中山大学中山医学院取得博士学位后,加入美国加州大学圣迭戈分校Paul Mischel教授团队,从事肿瘤遗传学于代谢研究。

       背景

       结构决定功能。DNA不仅以碱基序列储存遗传信息,还可以通过改变高级结构,来指导遗传信息的选择性表达。人类的基因组DNA,通过与蛋白质相结合,进而折叠、压缩,形成高级结构,并最终形成23对染色体。这样的高级结构,对细胞执行正常的生理功能而言,是至关重要的。然而,在肿瘤中,这样的高级结构会出现异常,导致基因异常表达——这其中就包括了原癌基因。

       通过全基因组测序技术,我们已经大量解析了原癌基因的序列异常,包括扩增、碱基突变、转位等。但是,我们不禁要问一个问题:原癌基因到底存在于什么位置?教科书告诉我们,基因存在于染色体上。但是,假如我们通过测序,发现有100个拷贝的原癌基因在某个染色体区域中扩增,我们是否能说,这100个拷贝的原癌基因,就都位于那条染色体的那个位置上呢?

       实际上,在2017年的Nature杂志上,来自美国加州大学圣迭戈分校的Paul Mischel教授团队便指出,肿瘤中大量扩增的原癌基因,其实是以染色体外DNA(extrachromosomal DNA,简称ecDNA)的形式存在的。不过,ecDNA的结构是什么,它具有什么功能,一直缺乏直接的证据。
 
日期: 2019-11-22
标签: ecDNA DNA
 
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