Nature重大发现：癌基因竟不在染色体上？第-作者吴思涵亲身解读！
2019-11-22 吴思涵Sean 肽度TIMEDOO
21日凌晨，美国加州大学圣地亚哥分校Ludwig癌症研究所的Paul Mischel教授领导的研究团队发现，大量的癌基因并不在染色体上，而是会从染色体上脱落下来，变成一种小型的DNA，称为染色体外DNA（ecDNA）。
21日凌晨，美国加州大学圣地亚哥分校Ludwig癌症研究所的Paul Mischel教授领导的研究团队发现，大量的癌基因并不在染色体上，而是会从染色体上脱落下来，变成一种小型的DNA，称为染色体外DNA（ecDNA）。文章以《Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression》为题发表在Nature《自然》杂志上。
△来源Nature官网截图
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1763-5
文章第一次正面解析了癌基因所在的ecDNA的结构和基本功能，这为后续的基础与应用研究，奠定了重要的基础。
这一重大发现，是不是意味着癌症可以治愈了？第一作者吴思涵博士为我们亲身解读。
癌基因的重大发现，癌症研究的曙光
TIMEDOO：可否介绍一下该研究的背景呢？
吴思涵：肿瘤是一种基因疾病，它是由抑癌基因的功能缺失，以及原癌基因的功能亢进引起的。在高通量测序的时代，我们已经把肿瘤的基因组给测了个遍，把每一个碱基的突变都测得一清二楚。但现在问题来了：癌基因到底存在于什么地方？
教科书告诉我们，基因在染色体上。然而，我们研究团队发现，其实大量的癌基因并不在染色体上，而是会从染色体上脱落下来，变成一种小型的DNA，称为染色体外DNA（extrachromosomal DNA，简称ecDNA）。
△图中蓝色的部分为DNA，以染色体的状态存在。而红色的点，则是癌基因。可以发现，大量的癌基因其实并不在染色体上，而是在染色体之外。
此前，我们团队分别在Science《科学》和Nature《自然》杂志上报道，这种ecDNA在肿瘤中是广泛存在的，大概占了全部肿瘤案例的1/3。这些携带着癌基因的ecDNA，拷贝数往往较高，且其拷贝数是高度动态的。举个例子，它们的拷贝数，会随着细胞复制，还有药物的治疗而改变。因此，ecDNA的存在，是驱动肿瘤异质性的重要因素，也是导致肿瘤耐药的因素。
TIMEDOO：这篇Nature论文报道了什么新的发现？
吴思涵：这项研究主要有4个重要发现：
1.ecDNA是环状的
在生物学中，结构决定了功能。因此，我们首先解析了它的结构。我们团队结合了二代基因组测序、光学匹配（optical mapping）、扫描电镜、透射电镜、3D结构照明显微镜等方法，揭示了ecDNA的真实结构：和经典的真核生物染色体的纺锤状不同，这些从染色体上脱落下来的ecDNA，形成一个环状的DNA分子。
△图示扫描电镜下的环状ecDNA分子
2.ecDNA大量转录癌基因
DNA的一个重要功能，是指导编码基因的转录，产生信使RNA（mRNA），并用于指导蛋白质的翻译。我们发现，ecDNA也在执行着同样的功能。然而，ecDNA上面存在着癌基因。而ecDNA往往可以高达几十甚至几百个拷贝，因此，这些高拷贝的ecDNA，就能转录大量的癌基因产物，从而推动肿瘤的进展。
3.ecDNA的染色质是高度开放的
我们身上的每个细胞，都携带着原癌基因。但在一般情况下，这些原癌基因是不表达的。因为，人体细胞核里面的DNA，是会经历反复压缩折叠，形成常染色质和异染色质。而异染色质里面的基因，是无法表达的，这其中就包括了一些癌基因。
我们的研究发现，在ecDNA上面，染色质的结构是相对开放的。这就造成了，这些环状DNA上面的基因，几乎都能被顺利转录出来。换句话说，一旦原癌基因从染色体上脱落下来，形成这种环状的ecDNA，就能够大量表达。
4.ecDNA的环状结构产生了新的基因调控回路
正如第1点所提，结构决定功能。DNA序列之间，是会因DNA的折叠而产生相互作用的，并进而调控基因表达。而这种相互作用的频率，会随着两段DNA之间的距离的增大而降低，对基因调控的作用也越来越弱。
△图示DNA相互作用。在线性的条件下，因基因A和B相邻较近，有较强的相互作用，而C距离A较远，相互作用力较弱。而一旦形成环状的ecDNA，原本距离较远的C就和A相邻，从而增强相互作用。
但是，ecDNA是环状的，这就导致了原本相距很远的DNA片段，被连接到了一起，从而实现了超远距离的相互作用，实现超远距离的基因调控。这就好比物理学中假想的虫洞超时空旅行，把原本相距很远的空间给连接到了一起——比如哆啦A梦大长篇里面的一个经典剧情。
△《大雄的宇宙开拓史》
TIMEDOO：这项研究对肿瘤的临床治疗有什么重要意义呢？
吴思涵：要是说，这项研究出来后，肿瘤就有救了，那是非常不负责任的。作为严谨的科学家，我们的解读是：
第一次正面解析了癌基因所在的ecDNA的结构，并且阐明了其基本功能，这为后续的基础与应用研究，奠定了重要的基础。由于ecDNA在肿瘤中广泛存在，因此，解析其结构与功能，将有助于后续一系列问题的研究，包括ecDNA是如何产生，如何复制，以及如何运动的。只要找到肿瘤维持ecDNA稳态的机制，我们甚至有办法研发出一种通用的抗肿瘤策略，即直接靶向ecDNA进行抗肿瘤治疗。但是，目前距离实现这个目标，还有相当长的距离。我们团队，也在不断地超着这个目标前进。
目前我们已经在更大的人群范围中，去研究ecDNA对肿瘤发生发展的意义。由于是尚未发表的数据，不便透露结论性的东西。目前能讲的是，学术界应该更加重视ecDNA之于肿瘤的意义。尤其是对研究肿瘤遗传学和基因组学的同行来说，切莫忽视ecDNA的重要性。
TIMEDOO：听吴博的潜台词，是说ecDNA一直是被科学家所忽视了，这是什么原因呢？
吴思涵：是这样的。实际上，有关肿瘤中存在ecDNA的证据，早在1965年的时候就发现了。然而多年过去，这个发现并没有被写进教科书。我猜，这其中有两个重要原因：
△1965年，The Lancet《柳叶刀》首次报道了染色体外DNA的存在。然而半个世纪过去，却鲜有人重视。
第一，2011年有团队估计，ecDNA阳性的肿瘤案例比例，仅有1.4%。然而我们是不认可这个数据的，也因此催生了我们2017年刊登在Nature《自然》杂志上的研究，指出总体比例应该高达1/3。在某些肿瘤中，这个比例甚至逼近90%。不过，我们也大概推测到为何前人会低估。原因是，ecDNA太小了，在显微镜下，如果不仔细观察，甚至很难发现。我们2017年的研究，是结合了二代测序以及荧光原位杂交技术，这才得以定位ecDNA，从而检出许多以前未能发现的ecDNA。
第二，现在大家越来越依赖于测序技术，而传统的细胞遗传学方法（即在显微镜下观察染色体这类技术），则逐步被遗忘了。然而，虽然测序技术的DNA序列分辨率很高（即能轻易地解析单个碱基的突变），但其空间分辨率却很低。反过来，细胞遗传学技术，比如荧光原位杂交，虽然不能精确地检查DNA碱基的突变，但是，其空间分辨率却很高，能够知道癌基因的空间定位。因此，只有将这两项技术结合起来，才能够有效地研究肿瘤遗传学。这也是我们团队所推崇的研究路线：测序和影像，一个都不能少。
△鱼与熊掌不可得兼。虽然基因组测序的碱基序列分辨率极高，但却丢失了空间分布的信息。只有和传统的影像学技术相结合，才能彻底解析肿瘤的基因组。
令人关注的华人生物科学家
TIMEDOO：可否简单介绍一下你们的科研团队？
吴思涵：我们是一支精悍、专业的队伍，由Paul S. Mischel教授领导。包括PI、主管、博士后、研究生、研究员和行政助理在内，目前只有9人。然而就是这么一支小队伍，我们在2019年，连发了两篇Nature，一篇Cell Metabolism，还有一篇即将上线的Nature Reviews Cancer。每一位博后与研究生，都有独立的研究课题，但我们总是相互帮助，参与到每一个人的研究中。这也是我们能够持续保持学术产出的关键。我们欢迎来自世界各地的博士加入我们的科研团队，扩充博士后队伍。
△Paul Mischel教授团队（第一排右3），吴思涵（第一排右1），目前有博士后3名，博士研究生2名，研究员1名，实验室主管1名，行政助理1名。
我们的研究领域是肿瘤遗传学与代谢。就如前面所说的，肿瘤是一种基因疾病，因此，肿瘤研究的根基学科，就是肿瘤遗传学。不过，在遗传学领域有一个著名“公式”：基因型 + 环境 = 表型。这里的表型，指的就是肿瘤。而基因与环境，就类似种子与土壤的关系。因此，光研究基因是不够，还需要去注重何种环境才能满足肿瘤的生长。而代谢，正是连结细胞外部环境与细胞内部事件的重要环节，因此，我们实验室的根基，就是肿瘤遗传学与代谢。
如果对我们实验室感兴趣，还可以访问我们的网站：https://paulmischellab.org/
TIMEDOO：导师Paul Mischel教授是什么样的人？
吴思涵：我对Paul的印象，主要可以总结为3点吧：1）思维活跃，思路宽广。他经常可以从“不可思议”的角度提出科学问题，而这正是创新性研究的基础。2）文笔优雅。他写的文字，包括论文，已经到了雅的境界。因为他最开始是学哲学的，后来才进的医学院，并拿到了MD和PhD学位，所以他的文字功底非常好。3）对学生和博后给予充分的指导与鼓励。Paul和一些“放养”团队的教授不同，他会主动地参与到每一个人的研究中，除非出差，他几乎每天都在实验室，并且每天花至少5-10分钟和每个人交流工作。
△Paul S. Mischel, M.D., Ph.D，美国加州大学圣迭戈分校病理学杰出教授，美国科学促进会（AAAS）会员，美国医师学会会员，美国临床研究协会会员。
TIMEDOO：在求学和职业发展过程中，有没有什么事情对你产生了重大的影响？
吴思涵：我谈两件事，一件和学术有关，一件看似和学术无关但其实非常重要。
第一件事，是自己迈过了一个坎。在直博的第四、五年间，我发现自己的思维非常局限，感觉在原地踏步，亟需成长。虽然后来拿到了去加州大学做博后的offer，但是在入职的头一年，发现在研究所三层楼里面，每一个人都是那么优秀，就更加感受到了自己的局限性，甚至有想过放弃学术，发展其他事业。不过后来Paul跟我说，每一个人能够来到这里，都有一个具体原因。而我之所以能够加入这个团队，是有足够强大的创造力。而当迈过自我否定与怀疑的坎之后，整个人如脱胎换骨，有了新的成长。
第二件对我成长有极大帮助的，是以前在中山大学读书期间，多年的艺术团经验。其中，合唱团对我的影响是巨大的，不光锻炼了我的发声、口才、办事能力、领导能力，多年的舞台经验也对我个人的形象气质，有重大的助益。比如说，现在去公开场合讲报告，都是信手拈来。当然，这背后也是谨记艺术团老师的教诲：成功的前提是熟练。所以我特别感谢中大艺术团的几位老师对我的栽培。同时我也建议师弟师妹们不要一头闷在实验室里，要利用在学校的时间，去全方位培养自己的能力与素质。
△2007年中山大学南校区合唱团演出照片
TIMEDOO：听说你是科普网红？为什么想着要写科普呢？目前主要的创作平台？
吴思涵：呵呵，算是凉掉的过气网红吧。我觉得，作为科研人员，除了做好具体的科学工作外，还需要承担社会责任。因为，科研基金主要来自国家的拨款，而国家的拨款又是从纳税人手里获得的。作为科学家，也应对社会负责任。至少应该在力所能及的范围内，去传播科学知识。当然，这仅仅是我对自己的要求，并不是说每个科学家都必须这么做。
在科普创作中，自己也有很多收获，比如锻炼了表达能力。事实上，如果科学家不会写也不会讲，那是不行的。因为要获取科研经费，是要写申请书的。而为了获得合作机会，也需要将自己的研究成果包装出去，让更多的科学家来对你的科研产生兴趣。
热评：
@FBZhang：可能与进化有关，类似病毒进行基因组整合，细菌产生质粒。细胞内氧化压力增加，也即突变负荷增加，而肿瘤突变位点多位于可变区，化学键能低，易脱落。不过这种DNA脱落应该是肿瘤避免突变被修复，但脱落后应该通过表达蛋白，反向干扰基因修复。这种博弈一旦成功，即形成肿瘤。
@小杨：怎么没有把那些未成环的短DNA也一起研究了，那种状态应该是成环DNA的前状态吧。
@大熊：这大概就是为什么有些cancer会有染色体的破碎和重组，某些小片段形成了环状DNA。而这些环状DNA竟然跟oncogene相关！优秀！！感觉所有的线索要被连起来了！！
@Susie：好伟大的研究，为医学界做出巨大贡献并且吴博士好年轻啊！真的是年轻有为，才华出众，必定是栋梁之材！
@一介书生:联想到了两个小问题：①人体细胞内的类质粒DNA？②与当年麦克琳 . 巴巴拉托克在玉米中发现的真核细胞“转座子”有关联吗？中大艺术团出人才啊！祝他好运。
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