【老司机的生物学课堂】染色体外DNA(中篇):驱动肿瘤异质性的利器-肽度TIMEDOO

【老司机的生物学课堂】染色体外DNA(中篇):驱动肿瘤异质性的利器-肽度TIMEDOO文|吴思涵

上篇回顾

上一篇文章《 染色体外DNA(上篇):原癌基因的载体》向大家介绍了在肿瘤细胞中,存在着携带扩增原癌基因的ecDNA。至此,我们不禁要问:原癌基因从染色体上脱落下来并形成ecDNA,对于肿瘤来说有什么正面意义,以致这种现象在肿瘤的演化中合理存在,而不会被选择压力淘汰掉?本篇文章将为大家揭晓谜底。

一、肿瘤基因组的异质性

肿瘤异质性这个名词,估计领域内的同行应该不会陌生。简而言之,是指在一团肿瘤组织之中,每一个肿瘤细胞的表达谱、突变谱是不完全一致的。这也导致在同一个组织中,不同肿瘤细胞的功能(比如生长特性、对药物的敏感性等)也并非完全一致。这给肿瘤的治疗带来极大的挑战。

肿瘤异质性,从外因来讲,跟微环境有关。比如肿瘤组织的边缘和中心,有不同的氧分压和营养物质浓度,而边缘的肿瘤细胞,还有机会和其他细胞进行通讯,因此导致选择出不同功能特性的细胞。但就内因来说,是与基因组的异质性紧密相关。为了避免将问题扩大化,我们暂时把目光锁定在原癌基因拷贝数的异质性之上。

二、先从有丝分裂谈起

在解释ecDNA如何驱动肿瘤基因组的异质性之前,我们必须先回顾一下有丝分裂的基本知识。

用大白话来讲,肿瘤是由一团分裂不受控制的细胞组成的。体细胞的分裂,中文叫做“有丝”分裂。而英文mitosis的词源出自希腊语mitos,即thread(丝线)之意。这里的“丝”,指的是牵引复制完毕的染色体往两极走的“纺锤丝”。

只要学习过高中生物,对以下的文字应该不会陌生:

【老司机的生物学课堂】染色体外DNA(中篇):驱动肿瘤异质性的利器-肽度TIMEDOO有丝分裂前期,复制完毕的染色质开始凝聚,形成染色体,两条姐妹染色单体由共同的着丝粒连接;核膜逐渐降解,中心体移动到两极,放出纺锤丝,附着在染色体的着丝粒上。有丝分裂中期,染色体整齐排列在赤道板上。有丝分裂后期,受纺锤丝的牵引,姐妹染色单体分离,移向细胞两极。有丝分裂末期,母细胞缢裂成两个子细胞,核膜重新形成,致密的染色体重新变成染色质。

有丝分裂最重要的一步,是保证细胞核遗传物质等量分配到两个子细胞之中。这里,纺锤丝和着丝粒功不可没。假设它们出了差错,就会形成所谓的lagging chromosome(迟滞染色体)。正常情况下,当细胞检测到染色体lagging时,就会启动自杀程序,避免将错误的遗传信息传递给子细胞。而当某些抑癌基因的功能受到抑制时,自杀程序便无法被顺利启动,从而导致子细胞染色体倍体异常(即染色体数变多或变少)。这也是细胞恶性转化(或者说癌变)的机制之一。

ecDNA也是一种存在于细胞核的遗传物质。然而目前就ecDNA的起源,尚不十分清楚。但简单来说,是从受损的染色体上脱落下来的碎片,并随机拼接起来的游离于染色体外的DNA。值得注意的是,lagging染色体也可被视为受损的染色体,也有机会碎片化。在染色体碎片随机拼接时,有的DNA可头尾相连,连接成较为稳定的环状,形成细胞遗传学中所谓的double minute(双微染色体)。

尽管机制尚不明确,但已知ecDNA也是可以随着染色体的复制而复制的。最主要的证据来自于实验观察:只要培养方法得当,ecDNA并不会在细胞多次分裂(或者说多次传代)后丢失。反过来讲,假设ecDNA不可复制,那么在经过多次细胞分裂后,就会被稀释到不可检测的水平——然而事实并非如此。

三、ecDNA的随机分配

正因为ecDNA是来自染色的碎片,自然便不具备和染色体一般完整的结构,比如不存在着丝粒。这就引出一个重要事实,在有丝分裂时,ecDNA是随机分配到两个子细胞中的。

我们不妨将原癌基因(橙色)的空间位置分别放在两个位置来思考这个问题:染色体 vs ecDNA。

【老司机的生物学课堂】染色体外DNA(中篇):驱动肿瘤异质性的利器-肽度TIMEDOO先来看看位于染色体的情况。一个母细胞获得了额外的染色体,导致原癌基因拷贝数增加,如上图的3个拷贝。在有丝分裂时,受纺锤丝牵引,附着在着丝粒(黑色圆点)姐妹染色单体被平分到两个子细胞中,依然是各3个拷贝。这属于经典的孟德尔遗传。

但当原癌基因位于ecDNA时,情况就复杂得多。同样是3个拷贝的原癌基因,在有丝分裂时,ecDNA随着染色体复制。但是,由于没有着丝粒,纺锤丝并不能牢牢将其抓住。这就导致在细胞缢裂时,复制好的ecDNA是随机分配到两个子细胞中的。因此,子细胞的原癌基因拷贝数可能是以下的组合:0+6,1+5,2+4,或3+3。

四、ecDNA的随机分配驱动肿瘤基因组的异质性

只要看懂上面那个图,我想各位读者应该能理解,ecDNA是如何驱动肿瘤基因组的异质性了。这里不妨自行想象一下:大量携带ecDNA的肿瘤细胞不断分裂,它们的子细胞,以及更多代以后的细胞, 会是什么样的遗传状态?

我们的合作伙伴利用计算机模拟了这样的情况。

【老司机的生物学课堂】染色体外DNA(中篇):驱动肿瘤异质性的利器-肽度TIMEDOO如上图b,假定将原癌基因分别放在ecDNA或者HSR(染色体上的均质染色区,见上篇解释),并赋予ecDNA随机分配到两个子细胞的能力;而HSR上的原癌基因拷贝数,赋予其1%、5%或10%的意外倍增几率;最后模拟不同情况下,原癌基因拷贝数的增长曲线。(忽略了许多具体的模拟参数,但不影响讲解问题。)

可以看到,当原癌基因位于ecDNA时,可以更快地获得更高的拷贝数,远比HSR的10%意外倍增的设定要快得多。而我们通过实验也发现(上图c),当原癌基因位于ecDNA时,其拷贝数从总体上来讲,要比位于染色体的多。

其实不难理解,在上一节的示意图中,我们已经知道,假设母细胞有3个ecDNA,它的子细胞可能有0+6、1+5、2+4或3+3个ecDNA的组合。假设是0+6,那么就有一个子细胞的ecDNA数瞬间翻倍。而这个翻倍的子细胞的下一代,其ecDNA也有可能再度翻倍。因此,ecDNA的存在,允许肿瘤细胞在短时间内获得大量的原癌基因拷贝。

同时,正由于ecDNA是分配是随机的,在经过多次有丝分裂后,子细胞群体的原癌基因拷贝数的离散度就会变得非常大。我们同样也使用计算机模拟了这一过程。

【老司机的生物学课堂】染色体外DNA(中篇):驱动肿瘤异质性的利器-肽度TIMEDOO生态学中有一个叫“Shannon多样性指数”的指标,它反映的是一个群落的多样性。当群落中的生物种类越多,比例越均衡,Shannon多样性指数就越高。我们借用这个指数来衡量肿瘤组织(相当于一个生物群落)的异质性。如上图所示,当原癌基因位于ecDNA时,肿瘤组织内部的多样性增长速度比位于HSR的快,说明ecDNA可以迅速地推动肿瘤的基因组异质性。

五、ecDNA推动肿瘤的快速演化

由ecDNA驱动的肿瘤基因组多样性,给肿瘤带来什么好处呢?

假设从进化论的角度来理解,就好办得多。进化论的一个核心理论是,适者生存。所谓“适“,即性状相对于环境的合适。因此,某个性状并不是越强或越弱,就越有利于生存,而是要结合具体环境来考量的。

同样,就原癌基因的拷贝数而言,并不是拷贝数越高,就越有利于肿瘤细胞。比如说,拷贝数太高,会给细胞带来代谢负担,在靶向药物攻击时也死得最快;而拷贝数太低,则无法获得生长优势,也可能不足以抵御细胞本身的凋亡机制。那么,拷贝数在什么范围内才是最合适的呢?对于肿瘤细胞来说,它们无法预先获知。但是,由于有了ecDNA的随机分配特性,肿瘤可以迅速演化出多样的子代细胞,用以面对多种多样的环境选择。

小结

这一篇文章,本司机向大家介绍了ecDNA如何驱动肿瘤的异质性,并推动其快速演化。其根本机制是:缺乏着丝粒的ecDNA在母细胞有丝分裂时,随机分配到子细胞中。一方面,这有利于肿瘤细胞更快地获得高拷贝数的原癌基因,另一方面,又使得子细胞群体原癌基因拷贝数的多样性迅速增长,从而在短时间内获得更多的基因型,并得以迅速演化。

下一篇文章,本司机将向大家讲解,携带原癌基因的ecDNA是如何为肿瘤治疗带来极大的挑战。

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(知乎栏目:老司机的生物学课堂)

文 | 吴思涵

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