癌症中的染色体碎裂 | Nat.Rev.Cancer |

Basic Information

• 英文标题：Chromothripsis in cancer
• 中文标题：癌症中的染色体碎裂
• 发表日期：15 November 2024
• 文章类型：Review Article
• 所属期刊：Nature Reviews Cancer
• 文章作者：Milena Simovic-Lorenz | Aurélie Ernst
• 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41568-024-00769-5

Abstract

Para_01

1. 染色体碎裂是一种突变现象，其中单个灾难性事件会导致一个或几个染色体的广泛重排。
2. 这种极端形式的基因组不稳定性已在30%-50%的癌症中被检测到。
3. 近年来的研究揭示了染色体碎裂产生的机制，并阐明了染色体破裂对细胞和分子的一些影响。
4. 本综述讨论了染色体碎裂的特征性标志，并描述了其在不同癌症类型中的普遍性，这些特征通过人类癌症样本中检测到的染色体碎裂表现得以体现。
5. 详细讨论了从体外系统中得出的不同染色体碎裂的机制模型，这些系统通过实验操作能够进行因果推断。
6. 还强调了染色体碎裂对癌症发展的贡献、癌细胞可能因染色体碎裂获得的选择优势、染色体碎裂肿瘤的进化轨迹，以及由染色体碎裂细胞带来的潜在弱点和治疗机会。

Introduction

Para_01

1. 染色体不稳定性引起的基因组重排在癌症[参考文献省略]和[参考文献省略]以及多种综合征疾病[参考文献省略]中起着重要作用。
2. 对癌症基因组的分析表明，基于其聚集性、方向性和相关的拷贝数变化，染色体不稳定性可诱导出不同的结构变异模式[参考文献省略],[参考文献省略]。
3. 这些复杂的染色体重排，通常统称为染色体再生（chromoanagenesis），可以进一步分为：基于复制的复杂重排过程（chromoanasynthesis）、一系列或链式的复杂染色体内和染色体间易位（chromoplexy），以及本综述重点讨论的染色体碎裂（chromothripsis）。
4. 染色体碎裂（也称为染色体破碎）是一种极端形式的染色体不稳定性，导致多个基因组异常的获得[参考文献省略],[参考文献省略]。
5. 这一灾难性事件以数十到数百个双链DNA断裂为特征，这些断裂集中发生在一条或多条染色体上，并伴随随后的错误修复，导致DNA片段的重新组装（图1a）。
6. 因此，染色体碎裂会产生大量重排的片段，同时伴随广泛的片段丢失。
7. 与其他类型的染色体不稳定性类似，染色体碎裂与癌症的侵袭性和不良预后相关[参考文献省略],[参考文献省略]，这进一步强调了理解细胞如何以及为何发生染色体碎裂，以及此类细胞可能存在的脆弱性的必要性。

Fig. 1: Chromothripsis involves chromosomal shattering and reassembly.

- 图片说明- 一条或多条染色体的破碎，通过数十到数百个双链DNA断裂，随后是随机顺序和方向重新组装DNA片段的易错修复。- 未重新连接的DNA片段可以自行环化形成染色体外DNA（ecDNA）结构或被删除。- 通过对胶质瘤进行全基因组测序检测到9号和17号染色体的染色体碎裂现象。- 整个基因组的Circos图的最内圈显示了染色体内或染色体间的结构变异。- 从中心向外的第二圈表示次要等位基因的拷贝数。- 第三圈展示了经过肿瘤纯度校正的拷贝数变化，包括局灶性和染色体水平的体细胞事件。- 第四圈显示了体细胞变异（突变），以降雨图为函数绘制距离关系。- 对17号染色体（左）和9号染色体（右）的详细观察显示了拷贝数波动和聚集的断点，这是染色体碎裂的特征。- 波动范围在五到四个拷贝之间，因为染色体碎裂发生在多倍体肿瘤的背景下。- 部分b和c中展示的全基因组测序数据由MASTER/DKTK/NCT队列提供。

Para_02

1. 未能重新整合到衍生的染色体碎裂症染色体中的染色体片段可以自我连接，形成环状的染色体外 DNA (ecDNA) 结构，或者从细胞中丢失。
2. 如果由此产生的广泛重排与细胞存活兼容，并导致致癌基因的激活和/或肿瘤抑制基因的丢失，那么由染色体碎裂引起的多种改变的同时获得可以为细胞提供一条通往癌症的捷径。
3. 染色体碎裂症染色体可以表现出多种类型的改变，具有不同数量的断裂点和拷贝数波动，通常在两种或三种状态之间（经典染色体碎裂）或在多种状态之间（非经典染色体碎裂）。
4. 还描述了拷贝数中性的染色体碎裂。

Para_03

1. 过去几年的全癌研究揭示了30%-50%的癌症显示出染色体碎裂的证据。
2. 重要的是，在相当大比例的这些癌症中，染色体碎裂可能在肿瘤发展中起到因果作用，因为这种灾难性事件会产生多个癌症驱动因子。
3. 染色体碎裂在癌症中的因果作用是由于同时产生了多种结构变异——基因组改变，这些改变会放大、删除或重新排列染色体物质，从而通过破坏基因功能、调控或剂量显著影响细胞的表型。
4. 事实上，大多数癌症驱动因子来源于结构变异而非点突变。
5. 以组合形式存在并形成复杂模式的结构变异（如在染色体碎裂染色体上检测到的那些）对基因组的影响范围远大于仅改变单个碱基的点突变。

Para_04

1. 尽管这种极端形式的基因组不稳定性造成了巨大的破坏，但染色体碎裂（chromothripsis）所特有的大规模染色体重排直到下一代测序技术的发展及其在癌症基因组研究中的应用才被发现。
2. 虽然低分辨率的测序方法（例如单核苷酸多态性阵列）也可以检测到染色体碎裂，但下一代测序仍然是最准确和金标准的检测方法。
3. 已经制定了严格的标准，使染色体碎裂能够被可靠地推断出来。
4. 重要的是，这些标准能够区分由染色体碎裂单一灾难性事件引起的DNA重排与那些看似局部病变但实际上是由渐进性改变导致的重排。
5. 随着越来越多的工具可以分析结构变异，特别是复杂的基因组重排（这些以前相对于点突变更少被研究，因为它们更难以表征），预计这些工具将帮助研究人员更好地理解染色体碎裂在癌症中的作用。

Para_05

1. 本综述重点关注人类癌症中的体细胞染色体碎裂事件，尽管染色体碎裂也导致了生殖细胞系中的重排（在其他地方有综述）并且已在多种物种中被检测到。
2. 其他导致复杂重排的灾难性事件类型，例如染色体复杂重排或染色体合成事件，则未包括在内。
3. 我们讨论了染色体碎裂在不同癌症类型中的普遍性，并描述了引发染色体碎裂的不同机制模型。
4. 此外，还涵盖了染色体碎裂如何促进癌症的发展、染色体碎裂肿瘤的进化轨迹以及此类肿瘤可能存在的可用于治疗的脆弱性。

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Chromothripsis across cancer types

Para_01

1. 各种染色体碎裂模式的基本类型在成人和儿童癌症中的总体流行率存在显著差异（图2）。
2. 染色体碎裂在肉瘤、大多数癌、高级别胶质瘤和黑色素瘤中最为常见，而造血系统恶性肿瘤和良性病变很少表现出染色体碎裂的证据。
3. 有趣的是，即使在同一组织内的不同细胞类型之间，染色体碎裂的流行率也存在显著差异。
4. 例如，起源于不同细胞谱系的脑肿瘤显示出染色体碎裂流行率的极端差异，从毛细胞型星形细胞瘤中大约0%到某些髓母细胞瘤亚型中约100%（图2）。
5. 此外，对于同一肿瘤类型的染色体碎裂流行率的估计在不同研究之间也存在很大差异，这可能是因为样本量有限、评分标准不一致以及检测方法的不同；特别是使用低分辨率检测方法可能会低估染色体碎裂的流行率，并且结构变异呼叫工具的准确性各不相同。
6. 即使是在对所有肿瘤类型应用一致标准的泛癌研究中，罕见肿瘤类型的样本可用性有限也可能限制流行率估计的准确性。
7. 不同类型肿瘤中观察到的染色体碎裂发生率差异的原因尚不清楚，可能是由于不同细胞类型中染色体碎裂的基础发生率不同、染色体碎裂导致提供选择优势的基因组改变的可能性不同，或者不同细胞类型在广泛基因组改变的情况下逃脱免疫系统的能力不同。
8. 染色体碎裂在不同细胞类型和状态下的发生变异尚未得到充分研究，其在正常细胞中的背景发生率以及选择压力和与免疫系统的相互作用对其贡献也不太清楚。
9. 然而，染色体碎裂流行率的差异并非仅仅由起源细胞的增殖速率决定，因为造血细胞（例如）虽然具有高周转率，但很少发生染色体碎裂。

Fig. 2: Prevalence of chromothripsis across adult and paediatric cancer types.

- 图片说明- 染色体碎裂现象在三组不同的癌症患者队列中有所体现。- ACC，腺样囊性癌；AML，急性髓系白血病；BNHL，B细胞非霍奇金淋巴瘤；ChRCC，嗜酸性肾细胞癌；CLL，慢性淋巴细胞性白血病；CNS，中枢神经系统；DCIS，导管原位癌；GIST，胃肠道间质瘤；HCC，肝细胞癌；K27M，27位赖氨酸到甲硫氨酸的替代；MDS，骨髓增生异常综合征；MPN，骨髓增生性肿瘤；MPNST，恶性外周神经鞘瘤；NOS，未另行指定；RCC，肾细胞癌；SCC，鳞状细胞癌；TCC，移行细胞癌；WNT，无翅信号通路。- 上图改编自参考文献，知识共享协议 CC BY 4.0。- 中间图改编自参考文献，知识共享协议 CC BY 4.0。- 下图转载自参考文献，知识共享协议 CC BY 4.0。

Para_02

1. 染色体碎裂导致的结构变异模式因其程度（例如，DNA断裂点的数量）以及其聚集性、方向和对拷贝数的影响而有所不同。
2. 不同肿瘤类型在每条受影响染色体中染色体碎裂的百分比以及受影响染色体的数量上表现出广泛的差异。
3. 我们研究组发现，近80%的乳腺癌样本显示出多条染色体存在染色体碎裂现象，其中11号和17号染色体是最常受到影响的染色体。
4. 在脂肪肉瘤中，12号染色体是最常受到影响的染色体。
5. 受到染色体碎裂影响的染色体区域富集了特定于每种肿瘤类型的癌症驱动基因。
6. 此外，在几种肿瘤类型中，染色体碎裂与p53失活密切相关。
7. 然而，这种关联并非普遍：尽管卵巢癌具有极高的TP53突变率，但染色体碎裂的发生率较低；同时，一些染色体碎裂高发的肿瘤缺乏可检测到的p53通路失活。
8. 因此，除了p53之外，其他检查点蛋白的失活可能促进染色体碎裂的发生或促进染色体碎裂后的细胞存活。
9. 重要的是，p53失活还与其他形式的染色体不稳定性相关，例如基因组倍增。
10. 与染色体碎裂相关的染色体不稳定形式及其与p53依赖性的程度仍有待进一步研究。

Mechanistic models of chromothripsis

Para_01

1. 染色体碎裂现象的发现推动了基于细胞模型系统的开发，旨在阐明能够引发此类灾难性事件的机制。
2. 尽管尚不清楚从这些可诱导的体外系统研究中获得的机制见解能在多大程度上转化为对癌症原位发展的理解，但几项开创性研究已经收集到了关于染色体碎裂启动可能机制的宝贵信息。
3. 最早的一项研究确定了细胞分裂错误以及由此导致的染色体在微核中的物理隔离是染色体断裂的主要原因。
4. 为了阐明围绕滞留的有丝分裂染色体或无着丝粒染色体片段形成的微核中染色体的命运，通过使用诺考达唑处理或使用含有人类人工染色体和条件性失活着丝粒的细胞系诱导细胞形成微核。
5. 后续一项结合活细胞成像和单细胞基因组分析（Look-seq）的研究表明，微核形成确实可以产生复杂的染色体重排，为这种染色体碎裂的机制模型提供了实验依据。
6. 另一项研究识别出由Y染色体着丝粒失活引发的时间级联事件：首先，染色体错误分离导致微核形成；其次，微核过早凝缩触发染色体粉碎；最后，经典的非同源末端连接作为主要修复途径参与染色体片段的重新连接。
7. 为了进一步探索错误分离染色体的结构重排景观，开发了着丝粒失活与染色体选择（CEN-SELECT）方法，该方法将着丝粒失活诱导的染色体粉碎与插入Y染色体的药物选择标记相结合。
8. 这种方法显示，单个染色体错误分离到微核中可能导致广泛的基因组重排。
9. 研究人员总结认为，有丝分裂细胞分裂期间单个染色体分离错误可能足以驱动在人类癌症中观察到的广泛结构变异。

Para_02

1. 染色体碎裂启动的另一个重要机制是双着丝粒染色体的形成，这种染色体包含两个活性着丝粒和多个动粒。
2. 在有丝分裂过程中，双着丝粒染色体可以同时附着在两个纺锤体极上，导致后期形成染色体桥。
3. 双着丝粒染色体也可以通过非同源染色体或姐妹染色单体的端到端融合而产生，这可能是由于端粒危机（未受保护的染色体末端的产生）或DNA复制后断裂的姐妹染色单体之间的连接所导致的。
4. 拉伸的染色体桥最终断裂，在两个子细胞中生成自由的染色体末端，从而引发新一轮双着丝粒染色体的形成，这一过程被称为断裂-融合-桥循环（BFB循环）。

Para_03

1. 端粒消耗、BFB循环和染色体碎裂之间的联系已经在可诱导的端粒危机模型中得到了证实。
2. 端粒重复结合因子2 (TRF2；遮蔽蛋白复合物的一种蛋白) 的耗竭会导致端粒缩短以及染色体末端到末端的融合形成。
3. 进一步证明 BFB 循环导致染色体碎裂的证据来自于对具有 15 号和 21 号染色体宪法性罗伯逊易位 (rob(15;21)c) 的个体的研究，这种易位导致了双着丝粒染色体的形成。
4. 这些个体表现出强烈的倾向，容易发展为与 21 号染色体兆碱基区域反复扩增 (iAMP21) 相关的儿童急性淋巴细胞白血病。
5. 这些个体患这种癌症的风险增加了约 2700 倍，这归因于罗伯逊染色体在复制后发生染色体碎裂的倾向。
6. 类似地，对散发性白血病的分析显示，BFB 循环通常是 iAMP21 的起始事件，并且经常伴随着染色体碎裂的发生。
7. 然而，一项研究分析了自然端粒危机后各种细胞的全基因组谱，结果表明这一事件可以引发广泛的染色体结构变异，这表明 BFB 循环和染色体碎裂并不是后危机细胞的普遍特征。
8. 研究人员还发现，细胞可以从端粒危机中退出，其基因组仅发生最小改变、局部改变或单一染色体臂上的多样化结构变异。

Para_04

1. 除了这些主要的染色体碎裂启动机制外，还提出了几种其他机制，但超出了本文的范围：未完成的细胞凋亡；染色质逃避免受自噬-溶酶体系统消化该系统会清除微核；细胞感染病毒，例如人乳头瘤病毒和 Epstein–Barr 病毒；以及暴露于电离辐射、紫外线辐射和/或化疗药物，例如多柔比星和甲氨蝶呤。

Causes of DNA damage

Para_01

1. 微核和染色体桥的形成会在核膜中产生固有缺陷，并降低核孔复合体的密度。
2. 因此，那些对有效DNA修复、复制和转录所必需的因子的核质运输受损，导致这些结构中的核质缺陷，从而使受影响的染色体容易受到DNA损伤和片段化。
3. DNA损伤可能首先在间期发生，当时核膜破裂，使被困和异常复制的染色体暴露于细胞质中。
4. 此外，在有丝分裂期间也可能发生DNA损伤，当来自微核和染色体桥的已经受损且未完全复制的染色体经历异常的有丝分裂复制时，会导致更广泛的DNA损伤，并在下一个细胞周期的子细胞中引发染色体碎裂。

Para_02

1. 病理性的碱基切除修复（BER），由微核中大量RNA-DNA杂交体的积累引发，被认为在微核染色体DNA片段化过程中起重要作用。
2. 微核周围的核膜破裂（图3a）被认为会导致几种胞质酶的募集：双链RNA特异性腺苷脱氨酶（由ADAR编码）、DNA-3-甲基腺嘌呤糖苷酶（由MPG编码）以及DNA修复核酸酶/氧化还原调节剂APEX1（也称为无嘌呤-无嘧啶内切酶1 (APE1)，由APEX1编码）。
3. 这些酶的连续作用最终产生单链DNA（ssDNA）缺口，由于下游BER因子的缺失，这些缺口无法修复。
4. 这些缺口可能在DNA复制过程中转化为双链DNA断裂，导致染色体破碎。
5. 或者，染色体破碎可能因相反DNA链上紧密排列的ssDNA缺口形成而加剧。
6. 尽管这项研究没有提供直接证明通过病理性BER生成染色体碎裂的测序数据，但其结果加强了对个别酶在染色体碎裂中的贡献的现有认识，并为解释异常BER活性如何导致微核染色体损伤提供了重要的生物学背景。
7. 由于MPG和APEX1敲除并未完全阻止DNA损伤，因此可能存在其他机制参与微核染色体的片段化。

Fig. 3: Mechanistic models of chromothripsis due to DNA damage.

- 图片说明- 滞后分裂的染色体会导致微核的形成，微核可以通过两种潜在机制引发染色体碎裂。- 异常的碱基切除修复由DNA复制叉与转录装置碰撞导致的R环（RNA-DNA杂合体）启动。- 在此模型中，腺苷脱氨酶作用于RNA (ADAR) 酶被招募到R环上，导致DNA链编辑，将脱氧腺苷转化为脱氧肌苷。- R环中的脱氧肌苷随后通过募集DNA-3-甲基腺嘌呤糖苷酶 (MPG) 转化为无碱基位点。- 最后，无嘌呤/无嘧啶内切酶1 (APE1) 作用于这些无碱基位点，切割磷酸二酯骨架并产生单链DNA缺口，这些缺口可能转化为双链DNA断裂，最终导致染色体碎裂。- 或者，核膜破裂直接使DNA暴露于胞质核酸酶，这可能导致染色体碎裂。- 端粒危机或染色体断裂可导致双着丝粒染色体的形成，并引发染色体桥的形成。- 在此模型中，染色体粉碎通过肌动蛋白-肌球蛋白依赖的桥断裂或暴露于胞质核酸酶发生。- 细胞质中的肌动蛋白-肌球蛋白力（紫色线条）诱导初始桥断裂，之后染色体碎裂在子代细胞中积累。- 在下一次细胞分裂期间，源自断裂桥的染色体会发生错误分离并生成微核，进而引发额外的染色体碎裂事件。- 核膜破裂后，3'外切核酸酶1 (TREX1) 在桥DNA上累积，导致单链DNA缺口的产生，最终引发染色体碎裂。

Para_03

1. 其中一个机制涉及细胞质核酸酶的作用，这些酶在核膜破裂时被招募（图3a）。
2. 具体来说，3′外切核酸酶1（TREX1）促进 micronuclei 和染色体桥中单链DNA缺口的形成。
3. 在视网膜色素上皮（RPE-1）细胞中敲除 TREX1，并未导致 micronuclear DNA 损伤减少，RPE-1 是一种用于研究有丝分裂的非转化细胞系。
4. 总体而言，由于研究结果存在矛盾，TREX1 在 DNA 损伤中的作用仍存在争议。
5. 然而，TREX1 对 DNA 损伤的贡献可能因细胞类型而异，其他类型的细胞质核酸酶也可能导致 DNA 损伤。
6. 除了观察到的单链 DNA 缺口生成外，我们推测由 TREX1 消化产生的 5′突出端可能会干扰非同源末端连接修复的成功率，这种修复负责断裂染色体片段的连接，从而导致染色体碎裂过程中观察到的拷贝数丢失。

Para_04

1. 人们认为，较大的染色体尺寸和染色体在细胞核中的边缘位置会增加分离错误和微核形成的频率。
2. 此外，一项研究显示，染色体长度的增加和高基因密度分别与微核的稳定性以及核膜延迟破裂呈正相关。
3. 染色体大小、染色体在细胞核中的位置以及基因密度如何影响最初发生染色体碎裂的频率，以及与细胞存活兼容的事件频率，仍有待进一步研究。

Para_05

1. 图3b突出了与双着丝粒染色体破碎和染色体桥形成相关的染色体碎裂机制。
2. 一项具有里程碑意义的研究探讨了肌动蛋白-肌球蛋白力在染色体桥断裂中的作用，使用Look-seq追踪染色体桥断裂的直接后果，并通过后续几轮细胞分裂追踪断裂染色体的命运。
3. 胞质肌动蛋白-肌球蛋白收缩性和染色体桥拉伸被强调为桥断裂的关键需求。
4. 此外，该研究揭示了一个跨越多个细胞周期的DNA损伤事件级联；染色体碎裂事件在第一次间期以低频率发生，并在第二次细胞分裂期间增加。
5. 这些发现得到了测序数据的支持，为观察到的染色体碎裂模式的细胞间异质性提供了机制基础。
6. 第二种提出的机制将TREX1牵连到染色体桥的解析中。
7. 在端粒危机的体外模型研究中，发现TREX1在染色体碎裂中起重要作用，并表明染色体碎裂和 kataegis 都源于TREX1的核酸酶加工和DNA dC > dU编辑酶APOBEC3B介导的胞嘧啶脱氨基的共同作用。
8. 然而，其他研究小组在同一端粒危机模型中的后续工作表明，TREX1并未参与染色体碎裂，因此这种核酸外切酶的作用仍存在争议。

Para_06

1. 两项近期研究探讨了源自破碎染色体的无着丝粒片段的遗传机制，并表明这些片段在有丝分裂期间聚集在紧密的空间邻近区域，从而促进它们被单个子细胞非对称地继承。
2. 由 DNA 损伤检查点蛋白 1 (MDC1)、DNA 拓扑异构酶 2 结合蛋白 1 (TOPBP1) 和丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶 PP2A 的细胞抑制剂 (CIP2A) 组成的蛋白质复合物实现了染色质碎裂产生的 DNA 片段的连接.
3. 这些与染色质结合的蛋白质将 DNA 片段保持在一起，使得它们能够重新连接形成一个经过染色质碎裂重排的染色体，并重新整合到一个子细胞核中.
4. 尽管这种整体分离防止了大量 DNA 的丢失，但癌症基因组中典型的染色质碎裂事件显示出拷贝数的波动变化，其中包括 DNA 片段的丢失.
5. 个体染色质碎裂片段的丢失被认为是由多种机制介导的：包括肿瘤抑制基因丢失所引发的选择压力；纺锤体力量可将连接的片段断裂为更小的组群；微核中缺陷的 DNA 复制导致基因拷贝数改变；以及在微核或染色体桥内的 DNA 被核酸酶攻击，而这些结构均缺乏完整的核膜.
6. 关于染色质碎裂的其他机制方面，包括 DNA 损伤的原因和 DNA 修复机制的作用，已在其他文献中进行了综述.

Acquisition of selective advantages

Para_01

1. 在健康细胞中，染色体碎裂会导致细胞周期停滞，并且如果基因组不稳定性持续存在，还会导致细胞死亡。
2. 然而，经历染色体碎裂事件后存活下来的细胞（例如，那些缺乏重要检查点的细胞，如 p53 缺陷的细胞）可以表现出广泛的适应性优势：肿瘤抑制基因的失活或丢失，这会促进不受控制的细胞生长；具有致癌特性的融合基因的形成，这会赋予细胞增殖优势；以及包含特定致癌基因或赋予治疗抗性基因的 ecDNA 分子的形成，这些基因能够提高细胞生存能力。

Para_02

1. 染色体碎裂可以通过DNA片段的丢失以及导致基因功能破坏的染色体断裂点使肿瘤抑制基因失活。
2. 例如，染色体碎裂已被报道导致多个肿瘤抑制基因和DNA修复基因的丢失，包括MLH1、PTEN、BRCA1、BRCA2、APC、SMAD4和TP53。
3. 在这些癌症中的大多数中，一个等位基因因染色体碎裂而失活，另一个则因点突变或启动子高甲基化而失活。
4. 我们和其他研究者还发现，染色体碎裂可以产生具有临床意义的融合基因，这些融合基因能够驱动癌症的发展，其中一些融合基因已被用于癌症诊断。

Para_03

1. 由 ecDNA 提供的几种选择性优势涉及癌症细胞生物学的多个方面。
2. 染色体碎裂是 ecDNA 生成最重要的方式之一，而 ecDNA 本身也可以成为染色体碎裂事件的底物。
3. 这些既无着丝粒又无端粒的 DNA 分子大小从 100 kb 以上到几兆碱基不等，能够进行自主复制和高水平扩增，从而导致癌细胞中的克隆选择。
4. 全基因组测序研究和细胞遗传学分析揭示了各种癌症类型中存在 ecDNA，这是与肿瘤侵袭性和患者不良预后相关的一个不利预后因素。

Fig. 4: The links between extrachromosomal DNA and chromothripsis in cancer.

- 图片说明- 细胞外染色体DNA（ecDNA；红色圆圈）在子细胞中的随机分离导致了肿瘤内遗传异质性的增加。- ecDNA中心的形成使得ecDNA分子之间具有空间接近性，并通过组合启动子-增强子相互作用，实现调控元件的分子间共享以及潜在的癌基因转录增强。- 增强子可以与位于不同ecDNA分子上的启动子（黑色箭头）或同一ecDNA分子内的启动子（黄色箭头）相互作用。- ecDNA可作为移动增强子，可能促进全基因组范围内染色体基因的转录。- 患者来源异种移植衍生的髓母细胞瘤细胞的荧光原位杂交（FISH）图像，显示中期染色体扩散。多个GLI2癌基因拷贝（红色）存在于ecDNA上。染色体用4',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI；蓝色）染色。比例尺，5 µm。

Para_04

1. 环状染色体外DNA（ecDNAs）通过三种主要方式促进癌症的进化：通过癌细胞中ecDNA拷贝数变异和结构多样性导致肿瘤内异质性的增加（图4a）；
2. 通过高ecDNA拷贝数介导的致癌基因表达上调，以及可能增强子与其靶基因之间分子间相互作用的增加（图4b）；
3. 通过促进对抗癌治疗的耐药性和适应改变的生长条件。
4. 基于CRISPR的DNA追踪技术（ecTag）已被用于追踪ecDNA在有丝分裂中的分离过程，从而揭示ecDNA的空间时间动态及其对肿瘤内异质性的贡献。
5. 该研究发现了细胞分裂过程中ecDNA随机分离的直接证据（图4a），这为快速扩增并正向选择那些提高细胞适应性和存活能力的ecDNA分子提供了机制支持。
6. 一个ecDNA分子可以包含单个致癌基因或多个致癌基因，以及基因调控元件。
7. 通过CRISPR-CATCH对人类ecDNA进行靶向分析还显示，单个ecDNA分子可能仅包含致癌基因或增强子。

Para_05

1. 由于基于 ecDNA 枢纽形成的基因调控新原则，可以设想此类特化的 ecDNA 分子会被共同选择（图 4b）。
2. 然而，ecDNA 枢纽的存在仍存在争议，因为这些结构与随机分离不一致。
3. 据报道，枢纽是微米级的核内聚集体，包含 10-100 个由蛋白质连接维持紧密邻近关系的 ecDNA 分子。
4. 这种空间邻近性可能允许 DNA 调控元件在分子间共享，从而使 ecDNA 增强子通过与靶向癌基因的相互作用激活基因转录（图 4b）。
5. 因此，ecDNA 枢纽的存在可能会增强基因转录并导致癌基因表达增加。

Para_06

1. 另一项使用染色质相互作用分析的研究还表明，ecDNA 可以作为移动的增强子元件，并可能放大染色体基因的转录（图 4c）。
2. 此外，已经证明位于 ecDNA 上的癌基因（与它们的染色体同源物相比）由于染色质可及性增强以及缺乏高级核小体压缩而显示出转录活性增加。
3. 此外，单细胞 ecDNA 和转录组测序（scEC&T-Seq）使得能够在同一细胞中同时研究环状 ecDNA 含量及其转录后果成为可能。
4. 研究人员报告了细胞间 ecDNA 结构的差异，并指出环状重组可能是 ecDNA 进化的一种潜在机制。
5. 进一步利用新型测序方法、细胞遗传学分析工具（如荧光原位杂交）、ecDNA 分离和从头生成 ecDNA 的研究将对深入了解由 ecDNA 形成驱动的肿瘤进化机制具有重要意义，并可能为改进抗癌治疗铺平道路。

Timing of chromothripsis

Para_01

1. 染色体碎裂通常被描述为肿瘤发展早期的事件。
2. 我们和其他人已经证明，染色体碎裂常常发生在最近共同祖先细胞（即癌症中所有现存细胞的最近起源细胞）生成之前，这可能远早于癌症诊断的时间。
3. 例如，在肾细胞癌中，染色体碎裂经常发生在儿童期到青春期，比癌症诊断早几十年。
4. 这一时间窗口为癌症的早期检测提供了可能性，并且理解由染色体碎裂驱动的肿瘤发展的早期步骤，对于开发高度敏感的诊断工具至关重要。
5. 尽管大多数染色体碎裂的肿瘤也显示出至少一个克隆性染色体碎裂事件，但原发性病灶和复发性肿瘤对的研究以及单细胞DNA测序揭示了亚克隆染色体碎裂的广泛存在，此外还有早期克隆事件（图5）。
6. 在培养细胞中的机制研究表明，随着额外的染色体碎裂事件发生在ecDNA结构中，持续的肿瘤进化发生了，这导致了癌细胞之间显著的异质性。

Fig. 5: Timing of chromothripsis in cancer evolutionary trajectories.

- 图片说明- 染色体碎裂通常发生在肿瘤发展的早期阶段，在最近共同祖先之前。- 这种染色体碎裂现象在大多数肿瘤细胞中被检测到。- 然而，发生在肿瘤进化后期的额外染色体碎裂事件仅在特定亚克隆中被检测到，并促进了肿瘤内异质性。

Para_02

1. 癌症通常在晚期才被诊断和研究，这限制了我们对肿瘤进化最初步骤的理解。
2. 与已在某些细节上被研究的正常组织中的点突变不同，结构变异，尤其是复杂的染色体重组，较少被探索，部分原因是分析工具只是在过去几年才变得可用。
3. 然而，克隆性和亚克隆性染色体碎裂对癌症驱动因素和可药物靶点的影响表明，理解染色体碎裂肿瘤的进化轨迹将是未来癌症预防和治疗策略发展的关键。

Para_03

1. 与假设逐步获得改变的线性、渐进和中性癌症进化模型相反，染色体碎裂会在短时间内产生大量基因组异常。
2. 这种模式与肿瘤演化的间断模型一致，该模型认为在肿瘤起始的最早阶段，瘤内异质性最高，之后一个或少数几个优势克隆稳定扩展形成肿瘤质量。
3. 需要大规模单细胞基因组学研究来解析染色体碎裂肿瘤的演化轨迹，并精确确定染色体碎裂事件的发生时间。

Therapeutic implications

Para_01

1. 染色体破碎瘤中特有的基因组不稳定性形式，由于其与DNA损伤和细胞周期检查点缺陷相关，可能提供治疗机会。
2. 我们和其他研究者在遗传小鼠模型和人类肿瘤中发现染色体破碎与同源重组修复缺陷之间存在强烈关联，包括携带种系TP53变异的Sonic Hedgehog (SHH)型髓母细胞瘤、黑色素瘤和乳腺癌。
3. 预先存在的DNA修复缺陷可以促进染色体破碎（例如，在种系突变的情况下，修复缺陷先于染色体破碎发生）；然而，染色体破碎本身也可以使DNA修复基因失活。
4. 同源重组修复以及其他DNA修复途径的缺陷，使得肿瘤细胞在用于癌症生存的替代修复途径受到治疗性抑制时容易被选择性杀死，这种方法被称为合成致死性。
5. 一个众所周知的合成致死性例子是使用聚(ADP-核糖)聚合酶(PARP)抑制剂治疗同源重组缺陷的乳腺癌和卵巢癌，以及其他类型的肿瘤。
6. 在染色体破碎髓母细胞瘤的患者来源异种移植模型中，我们的研究团队已经证明了粒子放射治疗与PARP抑制剂联合使用的延长生存时间和治疗效果的有效性。
7. 同样，在一项旨在识别潜在合成致死性策略的药物筛选研究中，我们的团队揭示了组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂与PARP抑制剂联合治疗在DNA修复缺陷的染色体破碎肿瘤细胞中的协同效应。
8. 这种联合疗法已被批准用于治疗多种癌症，无论是否存在染色体破碎，它能够在携带染色体破碎肿瘤的小鼠中阻止肿瘤生长并诱导癌细胞凋亡，显示出将这两类抑制剂结合使用的潜在价值。

Para_02

1. 诱导有丝分裂灾难是另一种可能用于治疗染色体破碎肿瘤的抗癌策略（尽管在这一背景下其适用性的直接证据尚缺乏）。
2. 有丝分裂灾难是一种由细胞感知有丝分裂失败而引发的内在抑癌机制，它引导缺陷细胞进入衰老或细胞死亡。
3. 有丝分裂灾难并非一种细胞死亡机制，而是一个抗增殖过程，该过程先于并不同于最终导致凋亡、坏死或衰老的过程。
4. 由有丝分裂紊乱和DNA损伤引发的有丝分裂灾难的激活及其作用机制已在其他文献中进行了广泛综述。
5. 癌症细胞中有丝分裂灾难的失效，通常是由细胞周期检查点的突变或肿瘤抑制基因的丢失引起的，这为肿瘤进展提供了途径。
6. 然而，在染色体破碎肿瘤中观察到的一些特征，例如染色体不稳定性和复制压力增加，可能提供可通过诱导有丝分裂灾难来靶向的脆弱性。
7. 多种刺激因素和药理学试剂可以诱导有丝分裂灾难，包括DNA损伤剂（如辐射和化疗）以及干扰有丝分裂机器或阻止准确染色体分离的药物，例如微管靶向药物。
8. 在此背景下的有丝分裂灾难诱导的目标是加剧DNA损伤和染色体不稳定性至癌症细胞无法承受的程度，从而促使细胞死亡。

Para_03

1. 染色体不稳定还可以通过产生胞质DNA并激活环状GMP-AMP合成酶-干扰素基因刺激因子（cGAS-STING）通路来触发针对肿瘤细胞的免疫反应。
2. 在正常情况下，该通路会诱导对来源于病毒和其他微生物感染的病原性双链DNA的固有免疫反应。
3. cGAS与胞质双链DNA结合后生成二核苷酸环状GMP-AMP（cGAMP），cGAMP与STING结合并激活下游I型干扰素（IFNs）和炎症细胞因子的产生。
4. 过去几年中，关于激活抗癌免疫反应中cGAS的胞质双链DNA来源一直是激烈争论的主题。
5. 多项研究表明，微核是重要的免疫刺激性双链DNA来源，并且微核周围的核膜破裂可导致cGAS的招募和活化。
6. 然而，其他研究报道了矛盾的结果，表明观察到的cGAS在微核中的积累并未导致cGAS-STING通路的激活或下游IFN信号的诱导。
7. 使用一系列抗有丝分裂药物诱导有丝分裂错误的研究人员发现，染色质桥而非微核在cGAS活化中起核心作用。
8. 另一项研究表明，由DNA损伤或有丝分裂错误产生的微核含有与组蛋白结合的DNA，并提供了证据表明这种染色质结构抑制cGAS活化。
9. 微核对cGAS-STING活化的贡献差异可能源于使用不同的细胞系、不同的DNA损伤诱导剂和不同的时间线。
10. 例如，一项研究表明，cGAS对破裂微核的识别依赖于初始的基因毒性应激源以及导致微核形成的基因毒性损伤的性质。

Para_04

1. 然而，许多癌症通过抑制 cGAS–STING 信号传导来逃避免疫系统的检测。重新激活这一通路可能为靶向肿瘤细胞提供机会。
2. 使用 TREX1 抑制剂治疗可能会使那些本身具有诱导 STING 信号传导和下游干扰素产生的肿瘤实现选择性靶向。
3. 这些研究表明，TREX1 的催化亚基通过降解胞质 DNA 减少了癌细胞微核中过度的 cGAS–STING 通路激活，从而保护这些肿瘤免受免疫监视。
4. 相反，阻断或丧失 TREX1 可通过增加 cGAS–STING 通路的激活减少肿瘤生长，在动物癌症模型中延长生存期，并增加肿瘤免疫浸润。
5. 对癌症基因组图谱 (TCGA) 数据的分析还显示，TREX1 在癌细胞中广泛上调，可能是为了对抗微核形成和胞质 DNA 的积累；这一发现进一步支持了 TREX1 抑制可作为抗癌策略的可能性。
6. 在肿瘤细胞中增强 cGAS–STING 通路的激活也可以通过使用 STING 激动剂实现，其中一些激动剂已在临床前研究（环状二核苷酸）和临床试验（vadimezan）中显示出潜力。
7. 多方面的证据表明，STING 激动剂可以提高癌症免疫疗法的疗效，包括免疫检查点抑制剂、癌症疫苗和嵌合抗原受体 (CAR) T 细胞疗法。

Para_05

1. 然而，由于有新数据表明，在染色体不稳定性较高的肿瘤中激活 cGAS–STING 通路可能会促进癌细胞的侵袭、转移和存活，因此在癌症中激活 cGAS–STING 通路可能是一把双刃剑。
2. 一项关于三阴性乳腺癌的研究表明，激活 cGAS–STING 通路会诱导 IL-6–STAT3 信号传导，而通过托珠单抗阻断 IL-6 信号可以抑制肿瘤生长。
3. 作者提出，使用紫杉醇或长春新碱等药物诱导癌细胞的染色体不稳定性，并与托珠单抗联合应用，可能是克服 cGAS–STING 激活和 IL-6 信号传导的有效治疗策略。
4. 需要进一步研究以确定基于 TREX1 抑制剂、STING 激动剂和/或 IL-6 信号阻断剂的抗癌策略是否对受到染色质碎裂影响的肿瘤有益。

Para_06

1. 环状DNA（ecDNA）在驱动肿瘤异质性和药物耐受性中的新角色表明，这些分子可能成为治疗靶点。
2. ecDNA生物学的多个方面与癌症相关，包括ecDNA的形成及其在中心体中的空间组织、癌基因扩增以及重新整合到基因组中。
3. 例如，发现检查点激酶1（CHK1）对依赖ecDNA的癌细胞生存至关重要，这一发现推动了BBI-335的开发，这是一种CHK1的小分子抑制剂，目前正在进行一期临床试验（NCT05827614），用于治疗多种含有ecDNA的癌症。
4. 针对ecDNA的进一步研究涉及使用羟基脲恢复药物敏感性、PARP抑制剂增加ecDNA重新整合的频率、溴结构域和末端外结构（BET）蛋白抑制剂靶向ecDNA中心体稳定性，以及可能对抗ecDNA形成带来的免疫抑制效应的治疗方法。

Para_07

1. 另一个可能用于治疗受益的机会是，在受到染色体碎裂影响的癌细胞中生成融合基因。
2. 生成可提供药物靶点的融合基因（例如 MET 融合）可能会导致可以通过精准肿瘤学加以利用的脆弱性。
3. 鉴于染色体碎裂的肿瘤通常至少经历一次克隆事件，由早期染色体碎裂形成的融合基因可能存在于大多数肿瘤细胞中，并且代表不受肿瘤内异质性影响的靶点。

Challenges and conclusions

Para_01

1. 染色体碎裂是一种驱动癌症的事件，在人类肿瘤的发展中起着因果作用。
2. 由于染色体碎裂是肿瘤进化早期的事件，理解这一过程可能为癌症的早期检测和预防提供独特的机会，而这正是目前临床亟需解决的问题。

Para_02

1. 然而，染色体碎裂领域的研究面临多个挑战。
2. 首先，不同研究之间对染色体碎裂的定义及其存在推断标准差异很大，这阻碍了结果的可重复性。
3. 虽然已经开发出严格的推断标准和检测工具，但这些工具需要一致应用，并在必要时进一步调整。
4. 其次，单细胞DNA测序技术和空间基因组学的发展目前落后于RNA分析工具的发展，这延缓了对染色体碎裂在时空上的研究。
5. 尽管用于结构变异分析的新实验和计算工具开始出现，提供了可能以更高分辨率解析染色体碎裂的机会，但由于缺乏多组学研究，我们对染色体碎裂如何影响转录组的理解受到极大限制。
6. 第三，选择压力如何作用于结构变异仍然在很大程度上未知。
7. 尽管包括非同义与同义替代比率（dN/dS比率；衡量基因水平自然选择强度和模式的指标）在内的多种方法已成功应用于量化点突变的选择，但评估选择如何作用于结构变异的策略更难以开发。
8. 最后，癌症发展的早期阶段通常很难捕捉。
9. 从体外模型中获得的关于染色体碎裂的发现能够在多大程度上转化为人类癌症发展的理解仍有待验证。

Para_03

1. 染色体不稳定的肿瘤通常具有侵袭性，且治疗选择非常有限。
2. 因此，此类肿瘤的早期检测和治疗可能会提高生存率。
3. 由于利用或靶向染色体不稳定的癌症检测和拦截策略对器官和肿瘤类型大多无特异性要求，我们预测，理解由染色体不稳定驱动的早期癌症发展的生物学机制可能会识别新的癌症风险因素和生物标志物，并推动高灵敏度早期癌症诊断技术的发展。
4. 最终，这些进展有望为提高癌症治愈率提供基础。