EccDNA是一种游离于染色体外的环状DNA分子。它们被发现广泛存在于各种真核生物、各种类型的组织细胞中。近年来研究发现，eccDNA常携带致癌基因，其结构特性有利于使其上的致癌基因高效扩增、高度表达，并且eccDNA可通过在子细胞中的不均匀分配，增强肿瘤的异质性和耐药性，对癌症发生发展和预后产生重要影响。2021年4月8日杰克逊基因医学实验室的课题组在Cancer Cell上发表了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染色质互作分析，在全基因组水平上探究了影响癌症细胞转录过程的eccDNA介导的染色体互作。
研究发现，培养的胶质母细胞瘤患者来源的神经球和前列腺癌细胞中，ecDNAs具有广泛的ecDNA-ecDNA间和ecDNA-染色体间互作。ecDNA-染色体互作位点具有广泛、高水平的H3K27ac信号，主要集中在表达水平增加的染色体基因上。在前列腺癌细胞中加入含有特征增强子的合成ecDNA，导致染色体基因转录的全基因组激活。对ecDNAs的染色体靶点进行单分子分辨率的解析，发现活跃性表达的癌基因在空间上聚集在ecDNA介导的互作网络中。研究表明ecDNAs可以作为移动的转录增强子来促进肿瘤的进展，并显示了一种潜在的合成非整倍体的转录调控机制。
发表时间：2021.4.8
发表杂志：Cancer Cell影响因子：26.602
文章链接：Oncogenic extrachromosomal DNA functions as mobile enhancers to globally amplify chromosomal transcription
文章内容
1.EcDNA与基因组染色质具有广泛的互作
研究人员在3株胶质母细胞瘤患者来源的神经球细胞系中进行ChIA-PET分析，其中1株是带有ecEGFR（含有EGFR的ecDNA），1株带有ecMYC：（含有MYC的ecDNA），1株是ecDNA-。染色体互作图谱显示，ecDNA与整个基因组都具有广泛的互作。为了量化染色体区域间互作程度，引入基因组水平反式染色体互作频率（nTIF）的概念。矫正拷贝数带来的影响后，发现ecMYC和ecEGFR的nTIFs显著较高，每一拷贝ecDNA的nTIFs显著高于每一拷贝的染色体的nTIFs，即ecDNA表现出广泛的染色质互作性。利用ChIA-PET来沉淀RNA聚合酶RNAPII相关的染色质，并分析ecDNA相关的染色质互作网络，包括ecDNA-ecDNA间和ecDNA-染色质间互作。ecDNA+细胞中，ecMYC、ecEGFR和ecCDK4的nTIFs显著升高，说明这些细胞系中主要的ecDNA包含这三种癌基因或者它们在分子间非常接近。ecDNA+细胞中，ecDNA区域的nTIFs显著高于染色体；染色体外扩增区域具有显著升高的nTIFs。说明ecDNA-ecDNA间和ecDNA-染色质间都具有广泛的互作。作者又应用ChIP-ChIA-PET分析与RNAPII结合的染色质，发现ecDNA元件与染色体的互作与RNAPII结合具有相关性，表明ecDNA具有重要的转录调控功能。
2.ecDNA与基因组染色质互作集中在 H3K27ac信号高的非编码区
为了探究RNAPII参与的ecDNA-染色体互作与转录调控是否具有相关性，作者进行了RNAPII和H3K27ac修饰的ChIP-seq，探究了活性启动子和转录增强子，发现相比于ecDNA-细胞的天然染色质区域的顺式互作，ecDNAs区域的顺式互作频率显著增加5-17倍。这种强烈的顺式染色质相互作用模式是由天然染色体位点、不同ecDNA分子之间的接触以及单个ecDNA内的折叠共同产生的。
3.EcDNA富含增强子信号且与高转录活性的基因相关
接着作者研究了ecDNA上的与染色质互作区域，发现在四个ecDNA（+）细胞系中，ecDNA上的大多数接触位点都集中在几个不同的（7-26）位点上，多富集在启动子区域，具有高水平的H3K27ac信号，并与细胞系中H3K27ac峰具有重合性，说明ecDNAs中癌基因的转录进一步被染色质的增强子放大。同样，在ecDNAs中观察到高频率接触位点和H3K27ac峰的同时出现，说明增强子信号在ecDNA-染色质互作位点上富集。进一步分析与染色质互作的ecDNA分子的特征，发现ecDNAs的高频率互作位点上H3K27ac信号显著富集，信号峰的跨度较大，具有超级增强子（SEs）的特征。超级增强子倾向于富集在ecDNAs，而且促进ecDNA-染色质互作。虽然SE位点占ecDNAs总大小的2%-18%，但其介导的ecDNA-染色质互作占31%-73%的比例。此外，启动子与ecDNAs有互作的基因表达水平显著升高，ecDNA互作的基因表达水平与ecDNA-互作频率正相关。
4. ecDNA水平改变造成转录调控异常
为了验证ecDNA对染色体基因表达的调控，作者将人工合成的携带H3K27ac富集区域的ecDNA转染到ecDNA阴性的细胞中， 并进行了RNA-seq,发现造成了57个基因的显著表达上调和2个基因的表达下调。证明ecDNA可用于癌基因扩增，也可作为一种移动的增强子，调控染色体基因的转录激活。另外利用ChIA-Drop实现单分子分辨率水平对染色质互作的复杂性进行解析，揭示出ecDNA SE可能作为结构性平台机制实现癌基因的共聚集，从而实现协同转录共激活，促进肿瘤的发生。
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国自然热点之eccDNA研究思路解析讲座视频：
往期eccDNA主题回顾
斯坦福大学新研究----肿瘤细胞中ecDNA新机制
Nature重磅新星——eccDNA的物种发现史
2020国自然研究热点—eccDNA的前世今生
再登Nature Genetics：ecDNA与致癌基因扩增及多种癌症不良预后相关
10分文章新利器----eccDNA开启2020年科研新热点
颠覆性发现：癌基因竟不在染色体上 环状DNA连登Nature，Cell！
Nature Genetics 揭示eccDNA新功能—驱动神经母细胞瘤基因组重排
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