文章導讀
EccDNA是一種游離于染色體外的環(huán)狀DNA分子。它們被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于各種真核生物、各種類型的組織細胞中。近年來研究發(fā)現(xiàn)，eccDNA常攜帶致癌基因，其結構特性有利于使其上的致癌基因高效擴增、高度表達，并且eccDNA可通過在子細胞中的不均勻分配，增強腫瘤的異質性和耐藥性，對癌癥發(fā)生發(fā)展和預后產生重要影響。2021年4月8日杰克遜基因醫(yī)學實驗室的課題組在Cancer Cell上發(fā)表了eccDNA的新研究成果Oncogenic extrachromosomal DNA functions as mobile enhancers to globally amplify chromosomal transcription，利用ChIA-PET和ChIA-Drop染色質互作分析，在全基因組水平上探究了影響癌癥細胞轉錄過程的eccDNA介導的染色體互作。

研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)的膠質母細胞瘤患者來源的神經球和前列腺癌細胞中，ecDNAs具有廣泛的ecDNA-ecDNA間和ecDNA-染色體間互作。ecDNA-染色體互作位點具有廣泛、高水平的H3K27ac信號，主要集中在表達水平增加的染色體基因上。在前列腺癌細胞中加入含有特征增強子的合成ecDNA，導致染色體基因轉錄的全基因組激活。對ecDNAs的染色體靶點進行單分子分辨率的解析，發(fā)現(xiàn)活躍性表達的癌基因在空間上聚集在ecDNA介導的互作網絡中。研究表明ecDNAs可以作為移動的轉錄增強子來促進腫瘤的進展，并顯示了一種潛在的合成非整倍體的轉錄調控機制。

發(fā)表時間：2021.4.8
發(fā)表雜志：Cancer Cell
影響因子：26.602
文章鏈接：Oncogenic extrachromosomal DNA functions as mobile enhancers to globally amplify chromosomal transcription

 
文章內容
1.EcDNA與基因組染色質具有廣泛的互作
研究人員在3株膠質母細胞瘤患者來源的神經球細胞系中進行ChIA-PET分析，其中1株是帶有ecEGFR（含有EGFR的ecDNA），1株帶有ecMYC：（含有MYC的ecDNA），1株是ecDNA-。染色體互作圖譜顯示，ecDNA與整個基因組都具有廣泛的互作。為了量化染色體區(qū)域間互作程度，引入基因組水平反式染色體互作頻率（nTIF）的概念。矯正拷貝數(shù)帶來的影響后，發(fā)現(xiàn)ecMYC和ecEGFR的nTIFs顯著較高，每一拷貝ecDNA的nTIFs顯著高于每一拷貝的染色體的nTIFs，即ecDNA表現(xiàn)出廣泛的染色質互作性。利用ChIA-PET來沉淀RNA聚合酶RNAPII相關的染色質，并分析ecDNA相關的染色質互作網絡，包括ecDNA-ecDNA間和ecDNA-染色質間互作。ecDNA+細胞中，ecMYC、ecEGFR和ecCDK4的nTIFs顯著升高，說明這些細胞系中主要的ecDNA包含這三種癌基因或者它們在分子間非常接近。ecDNA+細胞中，ecDNA區(qū)域的nTIFs顯著高于染色體；染色體外擴增區(qū)域具有顯著升高的nTIFs。說明ecDNA-ecDNA間和ecDNA-染色質間都具有廣泛的互作。作者又應用ChIP-ChIA-PET分析與RNAPII結合的染色質，發(fā)現(xiàn)ecDNA元件與染色體的互作與RNAPII結合具有相關性，表明ecDNA具有重要的轉錄調控功能。

2.ecDNA與基因組染色質互作集中在 H3K27ac信號高的非編碼區(qū)
為了探究RNAPII參與的ecDNA-染色體互作與轉錄調控是否具有相關性，作者進行了RNAPII和H3K27ac修飾的ChIP-seq，探究了活性啟動子和轉錄增強子，發(fā)現(xiàn)相比于ecDNA-細胞的天然染色質區(qū)域的順式互作，ecDNAs區(qū)域的順式互作頻率顯著增加5-17倍。這種強烈的順式染色質相互作用模式是由天然染色體位點、不同ecDNA分子之間的接觸以及單個ecDNA內的折疊共同產生的。

3.EcDNA富含增強子信號且與高轉錄活性的基因相關
接著作者研究了ecDNA上的與染色質互作區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在四個ecDNA（+）細胞系中，ecDNA上的大多數(shù)接觸位點都集中在幾個不同的（7-26）位點上，多富集在啟動子區(qū)域，具有高水平的H3K27ac信號，并與細胞系中H3K27ac峰具有重合性，說明ecDNAs中癌基因的轉錄進一步被染色質的增強子放大。同樣，在ecDNAs中觀察到高頻率接觸位點和H3K27ac峰的同時出現(xiàn)，說明增強子信號在ecDNA-染色質互作位點上富集。進一步分析與染色質互作的ecDNA分子的特征，發(fā)現(xiàn)ecDNAs的高頻率互作位點上H3K27ac信號顯著富集，信號峰的跨度較大，具有超級增強子（SEs）的特征。超級增強子傾向于富集在ecDNAs，而且促進ecDNA-染色質互作。雖然SE位點占ecDNAs總大小的2%-18%，但其介導的ecDNA-染色質互作占31%-73%的比例。此外，啟動子與ecDNAs有互作的基因表達水平顯著升高，ecDNA互作的基因表達水平與ecDNA-互作頻率正相關。

4. ecDNA水平改變造成轉錄調控異常
為了驗證ecDNA對染色體基因表達的調控，作者將人工合成的攜帶H3K27ac富集區(qū)域的ecDNA轉染到ecDNA陰性的細胞中， 并進行了RNA-seq,發(fā)現(xiàn)造成了57個基因的顯著表達上調和2個基因的表達下調。證明ecDNA可用于癌基因擴增，也可作為一種移動的增強子，調控染色體基因的轉錄激活。另外利用ChIA-Drop實現(xiàn)單分子分辨率水平對染色質互作的復雜性進行解析，揭示出ecDNA SE可能作為結構性平臺機制實現(xiàn)癌基因的共聚集，從而實現(xiàn)協(xié)同轉錄共激活，促進腫瘤的發(fā)生。


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