青科沙龙第153期 | Cell-ecDNA的复制与维持

--本期青科沙龙关键词--

ecDNA        DNA损伤应答

TOP2B             肿瘤治疗

直播介绍

DNA相关研究一直是科研的热门方向，在调研了一线科研工作者的需求后，华安生物联系并邀请到了中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员甘海云作为讲者对其近期的一项研究进行分享，分享主题为ecDNA的复制与维持。

讲

者

介

绍

甘海云博士，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员，博士生导师。近年来研究成果发表在 Cell、Science、Nature Medicine、Nature Genetics、Molecular Cell、Nature Communications、Genes & Development、PNAS、eLife、The EMBO Journal、Nucleic Acids Research 等知名期刊，累计引用超过 3,900 次。课题组主要研究方向为利用系统生物学、合成生物学以「干湿」实验结合的模式研究表观基因组信息的传递机制以及其在肿瘤发生和耐药性产生、全能性细胞（2C）、细胞衰老、染色体外 DNA（ecDNA）、合成表观重构、DNA 复制起始分子复合物、人工细胞等的表观遗传调控机制。

研

究

介

绍

染色体外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）是以独立环状结构存在的非染色体DNA分子，临床检测显示其存在于30-50%的人类恶性肿瘤中。自1965年神经母细胞瘤中发现双微体结构以来，这类遗传元件的生物学功能长期未被阐明。最新研究揭示ecDNA具有完整的致癌基因（如MYC、EGFR）及其调控元件，当其脱离染色体环化后，表观遗传记忆（包括DNA甲基化模式和组蛋白修饰特征）被重置，导致致癌基因呈现持续性激活状态。

临床队列研究表明，ecDNA阳性肿瘤与显著增强的恶性表型、治疗抵抗及不良预后密切相关。针对ecDNA的新型治疗策略聚焦于关键环节：通过干预其半保留复制机制破坏遗传稳定性，或调控表观遗传重塑过程抑制致癌信号。然而，ecDNA动态复制机制、表观调控网络及其在肿瘤演进中的时空特异性作用，仍是制约临床转化的关键科学问题。

4月28日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所研究员甘海云团队在国际顶级学术期刊Cell上发表题为Extrachromosomal DNA replication and maintenance couple with DNA damage pathway in tumors的研究论文，揭示了ecDNA维持与DNA损伤应答之间的双向调控关系，为理解ecDNA在肿瘤发生发展中的作用机制提供了新视角，也为开发靶向ecDNA的抗肿瘤治疗策略奠定了重要理论基础。这一突破性发现为解决上述关键科学问题提供了重要科学依据。

研究过程

为突破ecDNA复制与维持机制研究的技术瓶颈，甘海云团队创新性地整合CRISPR-Cas9基因编辑与体外人工染色体组装技术，成功构建了稳定携带EGFR基因的ecDNA细胞模型及高度模拟临床特征的人工ecDNA分子体系，一举解决了该领域长期缺乏严格匹配对照细胞模型的关键难题。研究人员进一步采用EdU标记技术，在多种ecDNA肿瘤模型中首次获得ecDNA在活细胞内自主复制的直接可视化证据，为后续机制研究奠定了重要技术基础。

为系统解析ecDNA复制与维持的分子机制，研究团队采用改进的新生链蛋白质富集技术，首次绘制了ecDNA复制相关蛋白质组全景图谱。研究发现，在ecDNA阳性细胞中，DNA复制核心机器（MCM复合物等）和表观遗传调控因子（组蛋白修饰酶、染色质重塑复合物等）特异性富集于新生DNA链，同时意外发现DNA损伤应答蛋白在复制位点异常富集。通过多维度功能验证，研究证实ecDNA阳性细胞表现出显著的基因组不稳定特征，其DNA双链断裂（DSB）水平较对照组显著升高，且ATM激酶介导的DNA损伤应答通路被特异性激活。这些重要发现首次揭示了ecDNA复制的双重特性：既需要表观遗传精细调控，又必然激活DNA损伤修复通路。

基于ecDNA松散的染色质结构特征，研究团队提出假说：ecDNA在细胞周期动态变化过程中可能成为基因组不稳定的重要来源。通过多维度实验验证，研究人员发现ecDNA细胞中异常升高的DNA损伤水平主要源于两个关键生物学过程：ecDNA的异常活跃复制和转录。这些过程显著激活了ATM介导的DNA损伤应答（DDR）通路。在分子机制层面，研究揭示了ecDNA上存在独特的拓扑异构酶切割复合物（TOPCC）异常积累现象。这是由于ecDNA上高密度的复制/转录复合体与TOPCC发生持续性冲突所致，这种冲突最终导致DNA双链断裂（DSB）的累积。

研究人员通过系统性功能筛选发现ecDNA的稳定维持特异性地依赖于alt-NHEJ修复通路。实验采用基因敲低和小分子抑制等手段对比分析了HR、NHEJ和alt-NHEJ三条主要修复通路的作用，结果显示特异性抑制alt-NHEJ可显著降低ecDNA丰度，而阻断HR或NHEJ则影响有限。深入机制研究表明，alt-NHEJ缺失会阻碍细胞周期特定阶段的DSB修复，破坏ecDNA环化过程，导致其重新整合回染色体或被细胞清除。这一发现不仅揭示了ecDNA维持的核心机制，更重要的是提出了靶向治疗全新潜在策略：特异性干扰alt-NHEJ通路可能成为选择性清除肿瘤细胞中ecDNA的有效手段。

临床研究数据与分子机制研究共同表明，靶向调控ecDNA含量可能成为肿瘤治疗的新策略。本研究发现DNA损伤应答（DDR）通路，特别是alt-NHEJ在维持ecDNA稳定性中发挥关键作用。机制研究表明，抑制DDR通路关键因子（包括ATM、CHK和TOP1等）可显著降低ecDNA含量，并选择性杀伤ecDNA阳性肿瘤细胞。这些发现为开发靶向ecDNA维持过程的通用治疗方案提供了重要理论依据，有望为ecDNA阳性肿瘤患者带来新的治疗选择。

本研究系统揭示了肿瘤细胞中ecDNA的独特生物学特性，首次阐明其通过DNA损伤应答（DDR）通路介导的稳定性与自身固有结构不稳定性之间形成的动态平衡调控机制。这一发现不仅从分子层面解析了ecDNA促进肿瘤发生发展的作用机理，更重要的是为临床治疗提供了创新靶点——基于ecDNA分子特征开发的靶向药物有望使30-50%的ecDNA阳性肿瘤患者获得精准治疗。

文章研究机制图

特别值得关注的是，本研究揭示的环状DNA复制维持机制具有更广泛的生物学意义。研究发现提示，HPV等DNA病毒在宿主细胞内的复制过程可能同样遵循类似的DDR通路调控模式，这一认识不仅拓展了我们对病原体环状DNA复制机制的理解，更为开发新型抗病毒治疗策略提供了重要的理论基础。该研究成果在肿瘤生物学和病原体感染领域均展现出重要的科学价值和应用前景。