Nat Genetics报道染色体外环状DNA新功能：驱动神经母细胞瘤基因组重排

来源：BioArt

撰文 | 雪月

责编 | 兮

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依照大小和拷贝数，人类细胞中至少存在三类染色体外环状DNA：小型染色体外环状DNA（eccDNA），小于1kb，包括端粒环，microDNA等，光学显微镜不可见；大型，拷贝数扩增的染色体外环状DNA（ecDNA）大小为1-3Mb或更大，存在多个完整的基因光学显微镜可见，包括双微体和缺少端粒的DNA；环状和新染色体【1】。ecDNA能导致原癌基因扩增，极大地促进肿瘤内的异质性，是肿瘤进化的动力【2】。神经母细胞瘤（Neuroblastoma）是发生在儿童期，起源于交感神经系统细胞的肿瘤。神经母细胞瘤是最早发现原癌基因MYCN存在于双微体（double-minute）这样的染色体外的基因组结构中。ecDNA除具有导致原癌基因扩增的功能外是否还有其他肿瘤相关功能还未知，ecDNA能否导致基因组重塑也有待探究。

2019年12月16日，西班牙巴塞罗那超级计算中心-基因组调控中心-计算生物学研究所的David Torrents课题组和德国柏林Charité大学的Johannes H. Schulte和Anton G. Henssen课题组合作在Nature Genetics期刊上发表了题为 Extrachromosomal circular DNA drives oncogenic genome remodeling in neuroblastoma 的文章。该文章结合基因组学和转录组学来探究神经母细胞瘤中染色体环状DNA的作用发现了多种未被发现过的染色体外环状DNA。此外也发现了染色体外环状DNA是体细胞基因组重排的主要来源。环状DNA能够嵌合，重新整合进入线性基因组，促进致癌基因发生重塑。

由于可以从全基因组测序（WGS）数据计算分析得出环状DNA，因此研究人员应用了一种基于配对末端读取方向的算法，检测93对成年神经母细胞瘤与正常血液样本配对后的WGS，分析环状DNA。此实验检测到多种肿瘤特异性环状DNA，包括了MYCN双微染色体，线粒体DNA和多种以前未发现的ecDNA和eccDNA。这些分析结果表明神经母细胞瘤中环状DNA的复杂性比以前预期的要大。为了更加完整和更加灵敏的检测与分析神经母细胞瘤中的环状DNA，作者改进了Circle-seq方法，更高效地剔除线性基因组和富集环状DNA。利用Circle-seq方法得到的结果证实了由WGS预测的100%的ecDNA和30%的eccDNA。每个神经母细胞瘤平均得到0.82个ecDNAs和5673个eccDNAs。值得注意的是eccDNA和ecDNA在基因区域显著富集，特别在MYCN扩增的神经母细胞瘤中。

更进一步分析发现，环状DNA中的多个与神经母细胞瘤相关的基因如MYCN、JUN、MDM2、SOX11、TAL2发生扩增。这也与以前的发现一致。为了进一步分析环状DNA对基因表达的影响，作者对神经母细胞瘤样本进行了RNA-seq发现，并未发现eccDNA中的基因表达发生变化，基因表达的增加则发生在ecDNA中。利用等位基因特异性表达方法 (allele-specific expression ASE) 分析发现高表达的基因来源于环状等位基因。但是环状DNA中基因拷贝数与环状外基因的拷贝数并无明显区别。这也表明环状DNA还存在其他与肿瘤相关的功能。作者分析WGS数据发现神经母细胞瘤基因组中多数染色体内和染色体间基因的重排与染色体外环状DNA区域相吻合，支持了环状DNA介导基因组重塑的猜想。肉眼观察每个肿瘤样本的Circos图发现染色体间重排的位点会在环状位置形成树状形式，这表明至少三个染色体间重组具有共同的起源和分支，能够到达基因组的其他部位。树状重排起源分析发现ecDNAs与2号（包括MYCN）和12号染色体显著重合。在对546个儿科肿瘤基因组重排情况数据集分析发现其中9%的儿科肿瘤的环状DNA存在树状重排模式【3】。作者推测环状DNA衍生的树形重排可以代表染色体外环状DNA整合到基因组中形成嵌合体。作者将染色体外DNA整合定义为染色体间位点连接染色体外环状DNA发生染色体间重排的过程。作者发现环状整合位点以及嵌合体中富集了肿瘤相关基因。检测整合对于基因表达的影响发现染色体外DNA整合激活原癌基因的表达扩增以及异常融合基因表达。

此项研究挑战了目前对于肿瘤基因重排的理解，染色体外环状DNA可以积极驱动基因组重排，促进异常肿瘤相关基因表达模式。这项研究只在神经母细胞瘤中，还有待将来扩展到其他类型的肿瘤。这项研究也为进一步解析染色体外环状DNA的其他功能提供新的思路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-019-0547-z

参考文献

1. Turner, K. M. et al. Extrachromosomal oncogene amplification drives tumour evolution and genetic heterogeneity. Nature 543, 122–125 (2017).

2. Verhaak, R. G. W., Bafna, V. & Mischel, P. S. Extrachromosomal oncogene amplification in tumour pathogenesis and evolution.Nat. Rev. Cancer 19, 283–288 (2019).

3. Gröbner, S. N. et al. The landscape of genomic alterations across childhood cancers. Nature 555, 321–327 (2018).