在细胞中，DNA紧密盘绕成染色体结构，储存着正常细胞生长和存活所需的所有遗传物质。然而，也存在一些微小的环状DNA片段属于“编制外人员”，它们游离在染色体之外，被称为染色体外DNA（ecDNA）[1,2]。
作为编制外人员，ecDNA很是自由自在，想去哪就去哪。在细胞复制时，不同于“捆绑”在染色体上的DNA那样整齐有序地进入到每个子细胞中，ecDNA的分配很随机。一个拥有6个ecDNA的母细胞，分裂后可能会得到分别拥有5个、7个ecDNA的子细胞组合，也可能会得到分别拥有0个、12个ecDNA的子细胞组合。可以说，ecDNA不受常规的细胞分裂规则所约束，其本质上是随机且不可预测的。
已有的研究表明，人类多种类型肿瘤细胞中广泛存在这些小圈，尤其是晚期肿瘤。这些ecDNA上往往含有具有致癌潜力的基因，且在肿瘤进展和治疗耐药性方面发挥着重要作用，与患者治疗预后较差相关[1,2]。不过，通常认为在健康细胞中没有ecDNA的存在。
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然而，近日一篇发表在Nature期刊上的文章首次提出，ecDNA早在细胞癌变之前便已悄悄埋伏。
英国剑桥大学的Rebecca C. Fitzgerald、美国加州大学圣地亚哥分校的Vineet Bafna、美国斯坦福大学的Paul S. Mischel等研究人员联手发现，不止是早期或晚期食管癌组织，食管癌患者的癌前细胞中同样有ecDNA的存在。这意味着在食管细胞向食管癌细胞的转化，以及食管癌的进展中，ecDNA都有参与[3]。
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Barrett食管是一种较为常见的病变，表现为食管下段的细胞由于长期胃酸或肠道胆汁反流而受损，发生变异，从扁平上皮细胞转化为柱状上皮细胞。简单形容一下就是，食管已经快被冲刷成胃肠道的样子了，相比于正常食管，Barrett食管看起来更像是胃肠道[4]。
大多数患有Barrett食管的人表现为非异型增生，而少数人的食管细胞则在遗传或结构异常的歧途上越走越远，在经历低度异型增生、高度异型增生后，细胞逐渐失去正常的形态和功能，发展为治疗难度大、致死率高的食道癌。因此，被诊断为Barrett食管的患者通常需要接受频繁的内镜组织活检检查，这便利了科学家们获得食管癌发生前后的组织样本。
在这项研究中，研究者们基于两项独立研究队列的参与者活检样本和随访数据，进行了一系列分析。这些参与者表现为不同程度异型增生的Barrett食管，以及早期（I期）食管癌、晚期（II-IV期）食管癌。
一方面，对来自剑桥大学的206名Barrett食管患者进行横断面分析后发现，在没有发生异型增生的Barrett食管样本或表现为低度异型增生的样本中，未检测到ecDNA。在Barrett食管发生高度异型增生的样本中，含有ecDNA的概率为4%（1人/25人）。对于早期或晚期食管癌患者而言，肿瘤样本中含有ecDNA的概率分别为25%和43％。
细胞中的染色体DNA和ecDNA[5]另一方面，研究者们还对来自Fred Hutchinson癌症研究中心（FHCC）的80名Barrett食管患者，其不同时期的活检结果及其患癌结局进行了纵向分析。
结果发现，在患有Barrett食管且发展为食管癌的患者中，33%人的癌前细胞中含有ecDNA。其余未发展为食管癌的40名Barrett食管患者中，仅1人的病理组织细胞中含有ecDNA，这个人在后续随访期间去世，死因与Barrett食管无关。
如此来看，不仅是与癌症进展相关，在细胞彻底“黑化”为肿瘤细胞的过程中，ecDNA也没少掺和。
食管癌患者在患癌前，组织中已存在ecDNA
已有的研究结果表明，肿瘤细胞会产生ecDNA，可能是受全基因组倍增、染色体破裂所影响，因为这些因素会导致基因组不稳定。那么，癌前细胞中的ecDNA又是怎么来的呢？
研究者们观察到，含有ecDNA的癌前细胞都存在TP53基因变异，且TP53基因变异与细胞发生全基因组倍增和染色体破裂相关。不过，并非所有含有ecDNA的高度异型增生细胞都发生这两个事件。研究者们推测，TP53基因变异可能是癌前细胞出现ecDNA的幕后推手，除了影响基因组稳定性，还有其它手段。
随后，研究者们对ecDNA进行了“身份鉴定”。结果显示，高度异型增生的癌前细胞，其ecDNA含有KRAS、MYC、ERBB2等致癌基因，以及SOCS1、CIITA等与免疫调节相关的基因。
推断在高度异型增生向肿瘤转化、肿瘤进展过程中，ecDNA的形成
进一步研究发现，如果在不同时间点获取的活检样本中，细胞状态相近，那么细胞中的ecDNA拷贝数也没有明显差异。但如果细胞异常状态相差较大，那么这些异常细胞中的ecDNA拷贝数以及异质性增加。另外，根据以上两组队列的数据显示，ecDNA阳性的人之中，有31%含有不止一种ecDNA。
这说明，肿瘤可能在早期就具备不同程度的ecDNA异质性。这种异质性帮助癌前细胞或肿瘤细胞适应不断变化的生存条件，促进肿瘤在进化过程中“开枝散叶”。
总而言之，这项研究颠覆了人们之前的推测。研究者们证实，不仅是肿瘤进展，染色体外DNA在肿瘤转化过程中也扮演了重要角色。他们表示，将进一步探索ecDNA如何在细胞中产生，以及如何帮助癌细胞制备适宜其生长的蛋白质。
参考文献：
[1]Wu, S., Bafna, V., Chang, H. Y. & Mischel, P. S. Extrachromosomal DNA: an emerging
hallmark in human cancer. Annu. Rev. Pathol. 17, 367–386 (2022).
[2]Lange, J. T. et al. The evolutionary dynamics of extrachromosomal DNA in human cancers.Nat. Genet. 54, 1527–1533 (2022).
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05937-5
[4]Spechler, S. J. & Souza, R. F. N. Engl. J. Med. 371, 836–845 (2014).
[5]https://today.ucsd.edu/story/tiny-dna-circles-are-key-drivers-of-cancer
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