脱氧核糖核酸或DNA不仅按其序列而且按其形状编码信息。由加州大学圣地亚哥分校的研究人员，加州大学圣地亚哥路德维希癌症研究所的分支，斯坦福大学和霍华德·休斯医学研究所共同组件的研究团队发表的报告称，在癌症患者中，人类肿瘤细胞中存在大量呈明显环状的染色体外DNA ，即ecDNA，可以通过改变癌相关癌基因的表达方式；促进侵略性恶性行为;并在肿瘤快速进化和抵御威胁(如化疗、放疗和其他治疗)方面发挥关键作用。

该研究成果发表在2019年11月20日在线《自然》杂志上。

“这是一种范式转变。癌症患者ecDNA的形状不同于正常的DNA，这对于我们对癌症生物学和临床影响的理解具有非常重要的意义。”加州大学圣地亚哥分校医学院病理学教授Paul S. Mischel博士说和路德维希成员。

　　在癌细胞核内部的该扫描电子显微照片中，染色体用蓝色箭头指示，而圆形的染色体外DNA用橙色箭头指示。图片由圣地亚哥加州大学的Paul Mischel提供。Mischel是与该研究的合著者之一，该研究的作者是圣地亚哥加州大学雅各布工程学院的计算机科学与工程教授Vineet Bafna。斯坦福大学和霍华德休斯医学院的Howard Y. Chang，医学博士，路德维希癌症基因组学和遗传学教授；任冰博士，加州大学圣地亚哥分校医学院细胞与分子医学教授，路德维希成员。

　　人类DNA通常形成长而扭曲的遗传物质双螺旋：大约30亿个碱基对组成了23对染色体，它们被奇迹般地挤压到每个细胞核中，每个平均直径只有6微米。(以端到端的方式排列，单个细胞核中的所有DNA都将延伸大约六英尺，一个人体内的所有DNA都将跨越太阳系直径的两倍左右，超过70亿英里。)

　　在人类和其他真核生物中，正常的DNA通过将其紧密包裹在称为组蛋白八聚体的蛋白质复合物簇中而紧密地包裹在细胞核中。为了访问和读取DNA的遗传指令，细胞依靠酶和复杂的机械来切割和移动碎片，一次只能访问一部分，这与读取部分打开的滚动条不同。

　　但是，研究人员报告说，癌细胞与细菌具有某些相似之处，而细菌则包含通常更容易获得的环状DNA。为了研究ecDNA的形状如何影响功能，研究团队开发了地形学上已知的致癌染色体外DNA圆形图。他们发现，癌症中的环状ecDNA尽管缠绕在蛋白质核心周围，但高度可访问，从而允许有更多的访问点和位置，可以快速转录和表达遗传信息。此功能使肿瘤细胞能够生成大量促进生长的癌基因，并能更快地进化，并能对不断变化的环境和潜在威胁做出更有力的反应。

　　Mischel说：“通过证明ecDNA是环状的，然后阐明其表观遗传组织，我们展示了非常强大的功能。” “人类癌细胞中这种独特的形状与正常人的DNA完全不同。它确实为拧紧的癌症基因组和表观基因组的3D组织提供了新的亮点，现在为理解某些肿瘤细胞为何如此具有攻击性提供了机械基础。”

　　该发现基于 2017年发表的研究报告，报告说，编码癌基因的环状DNA短片段比以前认为的要普遍得多-在近一半的人类癌症中检测到，但在正常细胞中很少-并可能在肿瘤的进化中起关键作用并抵抗化学治疗方法等威胁。

　　染色体外DNA被认为是罕见的，但在2014年的一篇论文中，Mischel及其同事发现，ecDNA通过使肿瘤能够迅速改变其所含癌基因的数量，并确定是否存在某种基因，从而在某些脑肿瘤的耐药性中起着核心作用。细胞转化为肿瘤细胞。这一发现使癌症生物学家感到惊讶，他们长期以来一直将重点更多地放在了哪些基因促进癌症上，而不是将这些基因定位在何处。

　　新发现强调了癌细胞如何不按照与真核细胞相同的生物学规则发挥作用。细菌和癌症不是通过将遗传上相同的子细胞分裂成遗传给子孙后代(称为有丝分裂，涉及所有真核生物均分裂并使用的成对染色体)的过程，而是通过将ecDNA似乎以随机方式分配给子细胞，从而促进细菌和癌症的发展。某些子细胞可以在一细胞分裂中接收多个癌性拷贝的机制。这是一个截然不同的遗传过程，可以实现更快的进化和遗传改变。

　　在论文中，研究团队采用了一系列先进技能：超微结构电子显微镜，远程光学作图和全基因组测序的计算分析。

　　“我们使用了许多自定义序列分析工具，包括Amplicon Architect和Amplicon Reconstructor，它们使用全基因组测序和光学图来重建ecDNA结构，并将这些重建的结构用作分层表观遗传数据的框架，并分析内部和外部之间的差异。染色体DNA。” Bafna说。

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