染色體外DNA（中篇）：驅動腫瘤異質性的利器

上篇回顧

上一篇文章《 染色體外DNA（上篇）：原癌基因的載體》向大家介紹了在腫瘤細胞中，存在著攜帶擴增原癌基因的ecDNA。至此，我們不禁要問：原癌基因從染色體上脫落下來並形成ecDNA，對於腫瘤來說有什麼正面意義，以致這種現象在腫瘤的演化中合理存在，而不會被選擇壓力淘汰掉？本篇文章將為大家揭曉謎底。

一、腫瘤基因組的異質性

腫瘤異質性這個名詞，估計領域內的同行應該不會陌生。簡而言之，是指在一團腫瘤組織之中，每一個腫瘤細胞的表達譜、突變譜是不完全一致的。這也導致在同一個組織中，不同腫瘤細胞的功能（比如生長特性、對藥物的敏感性等）也並非完全一致。這給腫瘤的治療帶來極大的挑戰。

腫瘤異質性，從外因來講，跟微環境有關。比如腫瘤組織的邊緣和中心，有不同的氧分壓和營養物質濃度，而邊緣的腫瘤細胞，還有機會和其他細胞進行通訊，因此導致選擇出不同功能特性的細胞。但就內因來說，是與基因組的異質性緊密相關。為了避免將問題擴大化，我們暫時把目光鎖定在原癌基因拷貝數的異質性之上。

二、先從有絲分裂談起

在解釋ecDNA如何驅動腫瘤基因組的異質性之前，我們必須先回顧一下有絲分裂的基本知識。

用大白話來講，腫瘤是由一團分裂不受控制的細胞組成的。體細胞的分裂，中文叫做「有絲」分裂。而英文mitosis的詞源出自希臘語mitos，即thread（絲線）之意。這裡的「絲」，指的是牽引複製完畢的染色體往兩極走的「紡錘絲」。

只要學習過高中生物，對以下的文字應該不會陌生：

有絲分裂前期，複製完畢的染色質開始凝聚，形成染色體，兩條姐妹染色單體由共同的著絲粒連接；核膜逐漸降解，中心體移動到兩極，放出紡錘絲，附著在染色體的著絲粒上。有絲分裂中期，染色體整齊排列在赤道板上。有絲分裂後期，受紡錘絲的牽引，姐妹染色單體分離，移向細胞兩極。有絲分裂末期，母細胞縊裂成兩個子細胞，核膜重新形成，緻密的染色體重新變成染色質。

有絲分裂最重要的一步，是保證細胞核遺傳物質等量分配到兩個子細胞之中。這裡，紡錘絲和著絲粒功不可沒。假設它們出了差錯，就會形成所謂的lagging chromosome（遲滯染色體）。正常情況下，當細胞檢測到染色體lagging時，就會啟動自殺程序，避免將錯誤的遺傳信息傳遞給子細胞。而當某些抑癌基因的功能受到抑制時，自殺程序便無法被順利啟動，從而導致子細胞染色體倍體異常（即染色體數變多或變少）。這也是細胞惡性轉化（或者說癌變）的機制之一。

ecDNA也是一種存在於細胞核的遺傳物質。然而目前就ecDNA的起源，尚不十分清楚。但簡單來說，是從受損的染色體上脫落下來的碎片，並隨機拼接起來的遊離於染色體外的DNA。值得注意的是，lagging染色體也可被視為受損的染色體，也有機會碎片化。在染色體碎片隨機拼接時，有的DNA可頭尾相連，連接成較為穩定的環狀，形成細胞遺傳學中所謂的double minute（雙微染色體）。

儘管機制尚不明確，但已知ecDNA也是可以隨著染色體的複製而複製的。最主要的證據來自於實驗觀察：只要培養方法得當，ecDNA並不會在細胞多次分裂（或者說多次傳代）後丟失。反過來講，假設ecDNA不可複製，那麼在經過多次細胞分裂後，就會被稀釋到不可檢測的水平——然而事實並非如此。

三、ecDNA的隨機分配

正因為ecDNA是來自染色的碎片，自然便不具備和染色體一般完整的結構，比如不存在著絲粒。這就引出一個重要事實，在有絲分裂時，ecDNA是隨機分配到兩個子細胞中的。

我們不妨將原癌基因（橙色）的空間位置分別放在兩個位置來思考這個問題：染色體 vs ecDNA。

先來看看位於染色體的情況。一個母細胞獲得了額外的染色體，導致原癌基因拷貝數增加，如上圖的3個拷貝。在有絲分裂時，受紡錘絲牽引，附著在著絲粒（黑色圓點）姐妹染色單體被平分到兩個子細胞中，依然是各3個拷貝。這屬於經典的孟德爾遺傳。

但當原癌基因位於ecDNA時，情況就複雜得多。同樣是3個拷貝的原癌基因，在有絲分裂時，ecDNA隨著染色體複製。但是，由於沒有著絲粒，紡錘絲並不能牢牢將其抓住。這就導致在細胞縊裂時，複製好的ecDNA是隨機分配到兩個子細胞中的。因此，子細胞的原癌基因拷貝數可能是以下的組合：0+6，1+5，2+4，或3+3。

四、ecDNA的隨機分配驅動腫瘤基因組的異質性

只要看懂上面那個圖，我想各位讀者應該能理解，ecDNA是如何驅動腫瘤基因組的異質性了。這裡不妨自行想像一下：大量攜帶ecDNA的腫瘤細胞不斷分裂，它們的子細胞，以及更多代以後的細胞， 會是什麼樣的遺傳狀態？

我們的合作夥伴利用計算機模擬了這樣的情況。

如上圖b，假定將原癌基因分別放在ecDNA或者HSR（染色體上的均質染色區，見上篇解釋），並賦予ecDNA隨機分配到兩個子細胞的能力；而HSR上的原癌基因拷貝數，賦予其1%、5%或10%的意外倍增幾率；最後模擬不同情況下，原癌基因拷貝數的增長曲線。（忽略了許多具體的模擬參數，但不影響講解問題。）

可以看到，當原癌基因位於ecDNA時，可以更快地獲得更高的拷貝數，遠比HSR的10%意外倍增的設定要快得多。而我們通過實驗也發現（上圖c），當原癌基因位於ecDNA時，其拷貝數從總體上來講，要比位於染色體的多。

其實不難理解，在上一節的示意圖中，我們已經知道，假設母細胞有3個ecDNA，它的子細胞可能有0+6、1+5、2+4或3+3個ecDNA的組合。假設是0+6，那麼就有一個子細胞的ecDNA數瞬間翻倍。而這個翻倍的子細胞的下一代，其ecDNA也有可能再度翻倍。因此，ecDNA的存在，允許腫瘤細胞在短時間內獲得大量的原癌基因拷貝。

同時，正由於ecDNA是分配是隨機的，在經過多次有絲分裂後，子細胞群體的原癌基因拷貝數的離散度就會變得非常大。我們同樣也使用計算機模擬了這一過程。

生態學中有一個叫「Shannon多樣性指數」的指標，它反映的是一個群落的多樣性。當群落中的生物種類越多，比例越均衡，Shannon多樣性指數就越高。我們借用這個指數來衡量腫瘤組織（相當於一個生物群落）的異質性。如上圖所示，當原癌基因位於ecDNA時，腫瘤組織內部的多樣性增長速度比位於HSR的快，說明ecDNA可以迅速地推動腫瘤的基因組異質性。

五、ecDNA推動腫瘤的快速演化

由ecDNA驅動的腫瘤基因組多樣性，給腫瘤帶來什麼好處呢？

假設從進化論的角度來理解，就好辦得多。進化論的一個核心理論是，適者生存。所謂「適「，即性狀相對於環境的合適。因此，某個性狀並不是越強或越弱，就越有利於生存，而是要結合具體環境來考量的。

同樣，就原癌基因的拷貝數而言，並不是拷貝數越高，就越有利於腫瘤細胞。比如說，拷貝數太高，會給細胞帶來代謝負擔，在靶向藥物攻擊時也死得最快；而拷貝數太低，則無法獲得生長優勢，也可能不足以抵禦細胞本身的凋亡機制。那麼，拷貝數在什麼範圍內才是最合適的呢？對於腫瘤細胞來說，它們無法預先獲知。但是，由於有了ecDNA的隨機分配特性，腫瘤可以迅速演化出多樣的子代細胞，用以面對多種多樣的環境選擇。

小結

這一篇文章，本司機向大家介紹了ecDNA如何驅動腫瘤的異質性，並推動其快速演化。其根本機制是：缺乏著絲粒的ecDNA在母細胞有絲分裂時，隨機分配到子細胞中。一方面，這有利於腫瘤細胞更快地獲得高拷貝數的原癌基因，另一方面，又使得子細胞群體原癌基因拷貝數的多樣性迅速增長，從而在短時間內獲得更多的基因型，並得以迅速演化。

下一篇文章，本司機將向大家講解，攜帶原癌基因的ecDNA是如何為腫瘤治療帶來極大的挑戰。

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