在腫瘤細胞的複雜世界中，染色體外 DNA（ecDNA）作為一種獨特的環狀 DNA，正逐漸嶄露頭角。它不僅在大多數人類癌症中普遍存在，還攜帶促癌基因，極大地增強了腫瘤的遺傳異質性，助力腫瘤適應環境變化，並惡化患者預後。然而，ecDNA的複製和維持機制，以及它如何與細胞內的 DNA 損傷應答（DDR）相互作用，一直是未解之謎。
近期，中國科學院深圳先進技術研究院甘海雲教授課題組在《Cell》雜誌上發表的研究，為我們揭開了這一神秘面紗。
研究之初，團隊面臨的首要挑戰是缺乏合適的細胞模型。為解決這一問題，他們巧妙地運用 CRISPR 技術，構建了兩種 ecDNA 陽性（ecDNA+）細胞模型。這兩種模型使得研究人員能夠直接觀察 ecDNA 在細胞內的行為，並與不含 ecDNA 的細胞進行嚴格比較。
ecDNA 的自主複製與 DDR 啟用
透過先進的分子生物學技術，研究團隊發現 ecDNA 在 ecDNA+ 細胞中能夠自主複製，並且這一過程會啟用 ATM 介導的 DNA 損傷應答（DDR）途徑。更具體地說，ecDNA 的複製和轉錄活動顯著提高了細胞內的 DNA 複製速度，這種高速複製導致 DNA 拓撲結構發生變化，形成拓撲異構酶-DNA 複合物（TOPCCs）。然而，部分 TOPCCs 無法正常解離，最終導致 DNA 雙鏈斷裂（DSB）。這些 DSB 激活了 DDR 途徑，使得細胞能夠感知並響應 DNA 損傷。
alt-NHEJ 途徑的關鍵作用
研究團隊進一步探索了 ecDNA 的維持機制。他們發現，ecDNA 的維持需要 DDR，尤其是 alt-NHEJ 途徑。這一途徑涉及一系列關鍵蛋白，如 LIG3 和 POLθ，它們在修復 DSB 方面發揮著至關重要的作用。透過一系列實驗，研究人員證實，抑制 alt-NHEJ 途徑中的關鍵因子（如 LIG3）會破壞 ecDNA 的環化過程，導致 ecDNA 水平顯著下降。
基於這些發現，甘海雲教授課題組提出了靶向 DDR 或 alt-NHEJ 途徑治療 ecDNA 驅動的癌症的潛在策略。實驗表明，抑制 DDR 成分能夠特異性地損害 ecDNA+ 細胞，而對 ecDNA− 細胞影響較小。這一發現為開發新型抗癌療法提供了重要依據。甘海雲教授表示：“我們的研究表明，ATM 介導的 DDR 和 alt-NHEJ 對於 ecDNA 在某些癌症中的持續存在至關重要。儘管還需要更多的研究來深入瞭解 ecDNA 對腫瘤異質性、進展和耐藥性的影響，但我們的研究為 ecDNA 驅動的腫瘤的診斷、預後和治療提供了新的視角。”
未來的挑戰與方向
儘管這項研究取得了突破性進展，但仍有許多問題有待進一步探索。例如，ecDNA 複製和維持過程中涉及的其他分子機制是什麼？ecDNA 在腫瘤微環境中的動態變化如何影響其複製和維持？以及如何將這些基礎研究成果轉化為臨床應用，開發出有效的抗癌藥物？未來的研究將致力於回答這些問題，並進一步揭示 ecDNA 在腫瘤發生和發展中的作用。
這項研究為我們深入理解 ecDNA 在腫瘤中的功能和機制提供了寶貴的見解，併為開發新的癌症治療策略指明瞭方向。隨著研究的不斷深入，我們有望在不久的將來，找到攻克 ecDNA 驅動的癌症的有效方法。
參考資料：
Xing Kang et al, Extrachromosomal DNA replication and maintenance couple with DNA damage pathway in tumors, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.04.012.
Reciprocal interaction between extrachromosomal DNA maintenance and DNA damage response revealedhttps://phys.org/news/2025-04-reciprocal-interaction-extrachromosomal-dna-maintenance.html
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