Nature 重大发现：癌基因竟不在染色体上？第一作者吴思涵亲身解读！

编辑|李丽
记者|布德鸟
图片提供|吴思涵


今日凌晨，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


TIME
DOO：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。


TIME
DOO：
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》




TIME
DOO：
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。


TIME
DOO：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


TIME
DOO：
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/
。

TIME
DOO：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。


TIME
DOO：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


TIME
DOO：
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。


近两年，我的科普平台是
知识星球“真知拙见”（KnowledgeHot）
。“真知拙见”是一个由海内外教授、博士、高管共同运营的高质量付费订阅中文知识分享社区，在这里可以和许多不同领域的专家共同交流 。特别有意思的是，这篇 Nature 论文得到了“真知拙见”社区嘉宾的帮助。其中有个重要的数据分析方法，是和社区里面的同行学来的。



△知识星球“真知拙见”，每天都有精华中文科普知识更新



△知识星球“真知拙见”的豪华嘉宾阵营，领域覆盖文、理、工、商、医、法学科


TIME
DOO：接下来在事业上有什么规划呢？




吴思涵：
未来还是想继续从事科研工作。目前在各地寻找一些高校、研究所、或者医院的独立科研岗位。由于目前求职季才刚开始，所以未来半年主要就是在忙这件事，希望能到理想的单位就职。


— 专访华人科学家 —

△吴思涵
吴思涵博士，2009年获得中山大学生命科学学院学士学位，随后以保送直接攻博的方式，进入中山大学中山医学院，师从颜光美教授从事肿瘤研究工作。2014年获得药理学博士学位后，进入美国加州大学圣迭戈分校开展博士后工作。曾获教育部研究生国家奖学金，以及教育部博士学术新人奖。在包括Nature，Nature Reviews Cancer等期刊上发表论文与专著19篇。






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