撰文：克里斯

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文章揭示了细胞外染色体DNA（ecDNA）在癌症发展和治疗反应中的重要作用，特别是在化疗后肿瘤中ecDNA频率的显著增加，以及ecDNA在肿瘤进展中的保留和扩增，这不仅强调了ecDNA在癌症治疗抵抗性中的潜在作用，也为开发针对ecDNA的新疗法提供了科学依据。

近日，耶鲁大学医学院神经外科 Roel G. W. Verhaak 教授团队 在 国际知名期刊 《 Nature genetics 》 发表了题为： Mapping extrachromosomal DNA amplifications duringcancer progression 的研究文章。

文章首先介绍了细胞外染色体DNA（ecDNA）在癌症中的角色，然后分析了超过8000个癌症样本，发现ecDNA在未经治疗的转移性和预处理的肿瘤中频率更高，特别是在接受过化疗的患者中。研究还发现ecDNA在肿瘤进展中更可能被保留，并且与局部超突变事件相关，这些发现表明ecDNA可能在癌症的治疗抵抗性和进展中起着关键作用。最后，文章讨论了ecDNA作为潜在治疗靶点的可能性。

1、前言

研究背景

癌症是全球主要的死亡原因之一，其疾病进展和转移是导致癌症相关死亡的主要原因。在癌症的发展过程中，肿瘤细胞会积累多种基因组改变，这些改变可以驱动肿瘤的增长和扩散，同时使肿瘤对治疗产生抵抗力。

其中，基因组的局部DNA扩增是一种常见的改变，它涉及到含有癌基因或致癌调控元素的DNA片段的复制增加，导致癌基因的转录和激活。这些扩增事件可以通过与染色体相连的机制发生，形成均匀染色区域（HSRs），或者通过切除和环化DNA片段形成细胞外染色体DNA（ecDNA）。尽管HSRs和ecDNA都能创造基因扩增，但它们可能有不同的功能后果。ecDNA在肿瘤细胞核中的快速积累，可能赋予肿瘤细胞竞争优势，从而在肿瘤发展和治疗过程中起到关键作用。然而，ecDNA在晚期癌症中的角色尚不完全清楚。

研究设计

基于上述背景，研究者们采用了一种全面的实验设计，通过对8,060个全基因组测序数据集的分析，这些数据集来自新诊断的原发性癌症、未经治疗的转移癌和经过大量预处理的肿瘤患者，使用AmpliconSuite-pipeline工具来检测和分类局部DNA扩增，包括ecDNA和染色体扩增（ChrAmp），并进一步评估了这些扩增事件在癌症进展和治疗反应中的作用，特别是它们在不同治疗压力下的频率变化，以及它们在纵向匹配的肿瘤样本中的保留情况。

图1.样本分类

2、ecDNA高频的出现于高阶肿瘤

通过对4,170个晚期癌症样本的全基因组测序（WGS）数据集的分析，研究者们发现ecDNA在未治疗的转移性和预处理的肿瘤中的发生率显著增加。与新诊断的肿瘤相比，这些晚期肿瘤中ecDNA和染色体扩增（ChrAmp）的频率更高，且每个肿瘤中ecDNA和ChrAmp扩增子的平均数量在不同队列间相似。研究还发现，特定的癌基因如ERBB2、EGFR和CDK4，它们是常用抗癌抑制剂的靶点，以及一些难以治疗的癌基因如MYC、TERT和MCL1，都被发现存在于ecDNA上。

此外，研究者们还观察到ecDNA在原发性和晚期癌症队列中的分布和数量存在显著差异，某些癌症类型如胶质母细胞瘤、食管癌和膀胱癌在原发性癌症队列中ecDNA的频率特别高，而在晚期癌症队列中，肾癌、食管癌、结直肠癌、前列腺癌和乳腺癌的ecDNA样本比例和每个样本中ecDNA的平均数量显著增加。这些发现表明ecDNA在癌症进展中可能扮演着重要角色，尤其是在晚期肿瘤中，ecDNA的高频检测可能与肿瘤的侵袭性和治疗抗性有关。

3、ecDNA扩增与多种癌症的临床联系

通过分析原发性和晚期癌症队列，研究发现ecDNA扩增的存在与较差的预后相关。具体来说，与没有ecDNA扩增的肿瘤相比，存在ecDNA扩增的肿瘤在统计上显示出更短的生存时间。此外，研究还发现接受过抗癌治疗的患者肿瘤中ecDNA扩增的频率更高，尤其是那些接受过化疗的患者。这一结果表明抗癌治疗可能促进了ecDNA扩增的产生，这可能与肿瘤对治疗的抵抗力有关。

图2.ecDNA扩增与癌症临床联系

研究者们还根据肿瘤的类型、治疗次数以及治疗类别（如化疗、激素治疗和靶向治疗）对患者进行了分组，发现不同类型的治疗与ecDNA扩增的频率有显著关联。例如，接受过靶向治疗的患者肿瘤中ecDNA的数量较少，这可能意味着靶向治疗抑制了ecDNA上携带的癌基因，从而影响了ecDNA的形成。这些发现强调了ecDNA在癌症治疗反应中的潜在作用，并提示ecDNA扩增可能是癌症治疗抵抗性的一个标志。研究结果支持了针对ecDNA扩增开发治疗策略的潜力，可能有助于改善癌症患者的治疗结果。

4、ecDNA肿瘤进展过程中的稳定性

为了探究ecDNA在肿瘤进展过程中的稳定性和保留情况，研究者通过对来自TCGA、HMF和GLASS队列的153名患者的多时间点肿瘤样本进行分析，以此来评估ecDNA结构的稳定性和演化。研究发现，在多次采集的肿瘤样本中，ecDNA扩增子比染色体扩增子（ChrAmp）更有可能在不同时间点的样本中被保留。研究者们比较了第一和第二时间点检测到的扩增子，发现ecDNA扩增子在两个时间点之间保持一致性的比例显著高于ChrAmp扩增子。这表明ecDNA扩增子在肿瘤演化过程中更有可能被维持下来，这可能与其在肿瘤细胞中的选择性优势有关。

图3.纵向扩增子分析

此外，研究还观察到，与非聚集突变相比，ecDNA上的聚集突变（kataegis）在变异等位基因分数（VAF）和癌细胞分数（CCF）上表现出更高的水平，这暗示聚集突变可能在ecDNA形成和维持早期阶段就已发生。这些发现进一步支持了ecDNA在肿瘤进展中的重要作用，并可能对开发针对ecDNA的癌症治疗策略提供重要信息。文章认为ecDNA的这些特性可能使其成为癌症治疗干预的有吸引力的靶点。

图4.按扩增子类别分类的聚集突变事件

图5.按突变类别划分的变异等位基因分数

5、讨论

ecDNA扩增子在晚期癌症中的高频率检测及其与肿瘤进展的密切关联,在癌症发展和治疗中具有重大作用。研究指出，ecDNA的不均匀分离可能为其在肿瘤细胞中的竞争优势提供了机制，使其在自然选择过程中更容易被保留。此外化疗后ecDNA频率的增加可能标志着治疗反应和肿瘤适应性的新标志。研究认为针对ecDNA的治疗策略，如阻断ecDNA形成或限制其维持，可能是提高癌症治疗效果的有效方法。文章建议未来的研究采用长读长或光学图谱方法来更准确地理解ecDNA的动态变化和其在癌症治疗中的作用。

教授介绍

Roel Verhaak 博士,耶鲁大学医学院神经外科的教授。从荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯大学医学中心获得医学博士学位后，在荷兰癌症协会的奖学金支持下， Roel Verhaak 以博士后身份加入了 Broad Institute/Dana Farber 癌症研究所。在Broad任职期间，他是分析癌症基因组图谱数据团队的一员。他参与胶质母细胞瘤基因表达亚型的鉴定和表征的研究在《精液癌细胞》成功发表。2010年，Roel搬到德克萨斯州休斯顿的MD安德森癌症中心开始自己的实验室。从那时起，Verhaak实验室研究了低级别和高级别胶质瘤的肿瘤演变和治疗耐药机制。该小组在建立神经胶质瘤纵向分析联盟方面具有基础性，该联盟已在一大批神经胶质瘤患者中建立了一个分子谱资源。他们确定并描述了与神经胶质瘤进展和疾病复发相关的遗传“疤痕”和细胞表型。染色体外DNA扩增被发现是关键的驱动因素，现在是该团队研究的主要部分。

参考文献

Kim H, Kim S, Wade T, Yeo E, Lipsa A, Golebiewska A, Johnson KC, An S, KoJ, Nam Y, Lee HY, Kang S, Chung H, Niclou SP, Moon HE, Paek SH, Bafna V,Luebeck J, Verhaak RGW. Mapping extrachromosomal DNA amplifications duringcancer progression. Nat Genet. 2024 Oct 14. doi: 10.1038/s41588-024-01949-7.Epub ahead of print. PMID: 39402156.