?編輯|李麗
記者|布德鳥(niǎo)
圖片提供|吳思涵
? ? ? ? 2019年11月21日今日凌晨，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校Ludwig癌癥研究所的Paul Mischel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大量的癌基因并不在染色體上，而是會(huì)從染色體上脫落下來(lái)，變成一種小型的DNA，稱(chēng)為染色體外DNA（ecDNA）。文章以《Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression》為題發(fā)表在Nature《自然》雜志上。
△來(lái)源Nature官網(wǎng)截圖
原文鏈接：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的結(jié)構(gòu)和基本功能，這為后續(xù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，奠定了重要的基礎(chǔ)。? ? ? ? 這一重大發(fā)現(xiàn)，是不是意味著癌癥可以治愈了？第一作者吳思涵博士為我們親身解讀。癌基因的重大發(fā)現(xiàn)，癌癥研究的曙光
吳思涵：腫瘤是一種基因疾病，它是由抑癌基因的功能缺失，以及原癌基因的功能亢進(jìn)引起的。在高通量測(cè)序的時(shí)代，我們已經(jīng)把腫瘤的基因組給測(cè)了個(gè)遍，把每一個(gè)堿基的突變都測(cè)得一清二楚。但現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了：癌基因到底存在于什么地方？教科書(shū)告訴我們，基因在染色體上。然而，我們研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)大量的癌基因并不在染色體上，而是會(huì)從染色體上脫落下來(lái)，變成一種小型的DNA，稱(chēng)為染色體外DNA（extrachromosomal DNA，簡(jiǎn)稱(chēng)ecDNA）。△圖中藍(lán)色的部分為DNA，以染色體的狀態(tài)存在。而紅色的點(diǎn)，則是癌基因。可以發(fā)現(xiàn)，大量的癌基因其實(shí)并不在染色體上，而是在染色體之外。
此前，我們團(tuán)隊(duì)分別在Science《科學(xué)》和Nature《自然》雜志上報(bào)道，這種ecDNA在腫瘤中是廣泛存在的，大概占了全部腫瘤案例的1/3。這些攜帶著癌基因的ecDNA，拷貝數(shù)往往較高，且其拷貝數(shù)是高度動(dòng)態(tài)的。舉個(gè)例子，它們的拷貝數(shù)，會(huì)隨著細(xì)胞復(fù)制，還有藥物的治療而改變。因此，ecDNA的存在，是驅(qū)動(dòng)腫瘤異質(zhì)性的重要因素，也是導(dǎo)致腫瘤耐藥的因素。TIMEDOO：這篇Nature論文報(bào)道了什么新的發(fā)現(xiàn)？吳思涵：這項(xiàng)研究主要有4個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：在生物學(xué)中，結(jié)構(gòu)決定了功能。因此，我們首先解析了它的結(jié)構(gòu)。我們團(tuán)隊(duì)結(jié)合了二代基因組測(cè)序、光學(xué)匹配（optical mapping）、掃描電鏡、透射電鏡、3D結(jié)構(gòu)照明顯微鏡等方法，揭示了ecDNA的真實(shí)結(jié)構(gòu)：和經(jīng)典的真核生物染色體的紡錘狀不同，這些從染色體上脫落下來(lái)的ecDNA，形成一個(gè)環(huán)狀的DNA分子。△圖示掃描電鏡下的環(huán)狀ecDNA分子
DNA的一個(gè)重要功能，是指導(dǎo)編碼基因的轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生信使RNA（mRNA），并用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)的翻譯。我們發(fā)現(xiàn)，ecDNA也在執(zhí)行著同樣的功能。然而，ecDNA上面存在著癌基因。而ecDNA往往可以高達(dá)幾十甚至幾百個(gè)拷貝，因此，這些高拷貝的ecDNA，就能轉(zhuǎn)錄大量的癌基因產(chǎn)物，從而推動(dòng)腫瘤的進(jìn)展。3.ecDNA的染色質(zhì)是高度開(kāi)放的我們身上的每個(gè)細(xì)胞，都攜帶著原癌基因。但在一般情況下，這些原癌基因是不表達(dá)的。因?yàn)?，人體細(xì)胞核里面的DNA，是會(huì)經(jīng)歷反復(fù)壓縮折疊，形成常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。而異染色質(zhì)里面的基因，是無(wú)法表達(dá)的，這其中就包括了一些癌基因。我們的研究發(fā)現(xiàn)，在ecDNA上面，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)是相對(duì)開(kāi)放的。這就造成了，這些環(huán)狀DNA上面的基因，幾乎都能被順利轉(zhuǎn)錄出來(lái)。換句話說(shuō)，一旦原癌基因從染色體上脫落下來(lái)，形成這種環(huán)狀的ecDNA，就能夠大量表達(dá)。4.ecDNA的環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了新的基因調(diào)控回路正如第1點(diǎn)所提，結(jié)構(gòu)決定功能。DNA序列之間，是會(huì)因DNA的折疊而產(chǎn)生相互作用的，并進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)。而這種相互作用的頻率，會(huì)隨著兩段DNA之間的距離的增大而降低，對(duì)基因調(diào)控的作用也越來(lái)越弱。△圖示DNA相互作用。在線性的條件下，因基因A和B相鄰較近，有較強(qiáng)的相互作用，而C距離A較遠(yuǎn)，相互作用力較弱。而一旦形成環(huán)狀的ecDNA，原本距離較遠(yuǎn)的C就和A相鄰，從而增強(qiáng)相互作用。
但是，ecDNA是環(huán)狀的，這就導(dǎo)致了原本相距很遠(yuǎn)的DNA片段，被連接到了一起，從而實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的相互作用，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的基因調(diào)控。這就好比物理學(xué)中假想的蟲(chóng)洞超時(shí)空旅行，把原本相距很遠(yuǎn)的空間給連接到了一起——比如哆啦A夢(mèng)大長(zhǎng)篇里面的一個(gè)經(jīng)典劇情。△《大雄的宇宙開(kāi)拓史》
TIMEDOO：這項(xiàng)研究對(duì)腫瘤的臨床治療有什么重要意義呢？吳思涵：要是說(shuō)，這項(xiàng)研究出來(lái)后，腫瘤就有救了，那是非常不負(fù)責(zé)任的。作為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家，我們的解讀是：第一次正面解析了癌基因所在的ecDNA的結(jié)構(gòu)，并且闡明了其基本功能，這為后續(xù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，奠定了重要的基礎(chǔ)。由于ecDNA在腫瘤中廣泛存在，因此，解析其結(jié)構(gòu)與功能，將有助于后續(xù)一系列問(wèn)題的研究，包括ecDNA是如何產(chǎn)生，如何復(fù)制，以及如何運(yùn)動(dòng)的。只要找到腫瘤維持ecDNA穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，我們甚至有辦法研發(fā)出一種通用的抗腫瘤策略，即直接靶向ecDNA進(jìn)行抗腫瘤治療。但是，目前距離實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。我們團(tuán)隊(duì)，也在不斷地超著這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)。目前我們已經(jīng)在更大的人群范圍中，去研究ecDNA對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展的意義。由于是尚未發(fā)表的數(shù)據(jù)，不便透露結(jié)論性的東西。目前能講的是，學(xué)術(shù)界應(yīng)該更加重視ecDNA之于腫瘤的意義。尤其是對(duì)研究腫瘤遺傳學(xué)和基因組學(xué)的同行來(lái)說(shuō)，切莫忽視ecDNA的重要性。TIMEDOO：聽(tīng)吳博的潛臺(tái)詞，是說(shuō)ecDNA一直是被科學(xué)家所忽視了，這是什么原因呢？吳思涵：是這樣的。實(shí)際上，有關(guān)腫瘤中存在ecDNA的證據(jù)，早在1965年的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)了。然而多年過(guò)去，這個(gè)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有被寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)。我猜，這其中有兩個(gè)重要原因：△1965年，The Lancet《柳葉刀》首次報(bào)道了染色體外DNA的存在。然而半個(gè)世紀(jì)過(guò)去，卻鮮有人重視。
第一，2011年有團(tuán)隊(duì)估計(jì)，ecDNA陽(yáng)性的腫瘤案例比例，僅有1.4%。然而我們是不認(rèn)可這個(gè)數(shù)據(jù)的，也因此催生了我們2017年刊登在Nature《自然》雜志上的研究，指出總體比例應(yīng)該高達(dá)1/3。在某些腫瘤中，這個(gè)比例甚至逼近90%。不過(guò)，我們也大概推測(cè)到為何前人會(huì)低估。原因是，ecDNA太小了，在顯微鏡下，如果不仔細(xì)觀察，甚至很難發(fā)現(xiàn)。我們2017年的研究，是結(jié)合了二代測(cè)序以及熒光原位雜交技術(shù)，這才得以定位ecDNA，從而檢出許多以前未能發(fā)現(xiàn)的ecDNA。第二，現(xiàn)在大家越來(lái)越依賴(lài)于測(cè)序技術(shù)，而傳統(tǒng)的細(xì)胞遺傳學(xué)方法（即在顯微鏡下觀察染色體這類(lèi)技術(shù)），則逐步被遺忘了。然而，雖然測(cè)序技術(shù)的DNA序列分辨率很高（即能輕易地解析單個(gè)堿基的突變），但其空間分辨率卻很低。反過(guò)來(lái)，細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù)，比如熒光原位雜交，雖然不能精確地檢查DNA堿基的突變，但是，其空間分辨率卻很高，能夠知道癌基因的空間定位。因此，只有將這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能夠有效地研究腫瘤遺傳學(xué)。這也是我們團(tuán)隊(duì)所推崇的研究路線：測(cè)序和影像，一個(gè)都不能少。△魚(yú)與熊掌不可得兼。雖然基因組測(cè)序的堿基序列分辨率極高，但卻丟失了空間分布的信息。只有和傳統(tǒng)的影像學(xué)技術(shù)相結(jié)合，才能徹底解析腫瘤的基因組。
令人關(guān)注的華人生物科學(xué)家
TIMEDOO：可否簡(jiǎn)單介紹一下你們的科研團(tuán)隊(duì)？吳思涵：我們是一支精悍、專(zhuān)業(yè)的隊(duì)伍，由Paul S. Mischel教授領(lǐng)導(dǎo)。包括PI、主管、博士后、研究生、研究員和行政助理在內(nèi)，目前只有9人。然而就是這么一支小隊(duì)伍，我們?cè)?019年，連發(fā)了兩篇Nature，一篇Cell Metabolism，還有一篇即將上線的Nature Reviews Cancer。每一位博后與研究生，都有獨(dú)立的研究課題，但我們總是相互幫助，參與到每一個(gè)人的研究中。這也是我們能夠持續(xù)保持學(xué)術(shù)產(chǎn)出的關(guān)鍵。我們歡迎來(lái)自世界各地的博士加入我們的科研團(tuán)隊(duì)，擴(kuò)充博士后隊(duì)伍。△Paul Mischel教授團(tuán)隊(duì)（第一排右3），吳思涵（第一排右1），目前有博士后3名，博士研究生2名，研究員1名，實(shí)驗(yàn)室主管1名，行政助理1名。
我們的研究領(lǐng)域是腫瘤遺傳學(xué)與代謝。就如前面所說(shuō)的，腫瘤是一種基因疾病，因此，腫瘤研究的根基學(xué)科，就是腫瘤遺傳學(xué)。不過(guò)，在遺傳學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)著名“公式”：基因型 + 環(huán)境 = 表型。這里的表型，指的就是腫瘤。而基因與環(huán)境，就類(lèi)似種子與土壤的關(guān)系。因此，光研究基因是不夠，還需要去注重何種環(huán)境才能滿(mǎn)足腫瘤的生長(zhǎng)。而代謝，正是連結(jié)細(xì)胞外部環(huán)境與細(xì)胞內(nèi)部事件的重要環(huán)節(jié)，因此，我們實(shí)驗(yàn)室的根基，就是腫瘤遺傳學(xué)與代謝。TIMEDOO：導(dǎo)師Paul Mischel教授是什么樣的人？吳思涵：我對(duì)Paul的印象，主要可以總結(jié)為3點(diǎn)吧：1）思維活躍，思路寬廣。他經(jīng)?？梢詮摹安豢伤甲h”的角度提出科學(xué)問(wèn)題，而這正是創(chuàng)新性研究的基礎(chǔ)。2）文筆優(yōu)雅。他寫(xiě)的文字，包括論文，已經(jīng)到了雅的境界。因?yàn)樗铋_(kāi)始是學(xué)哲學(xué)的，后來(lái)才進(jìn)的醫(yī)學(xué)院，并拿到了MD和PhD學(xué)位，所以他的文字功底非常好。3）對(duì)學(xué)生和博后給予充分的指導(dǎo)與鼓勵(lì)。Paul和一些“放養(yǎng)”團(tuán)隊(duì)的教授不同，他會(huì)主動(dòng)地參與到每一個(gè)人的研究中，除非出差，他幾乎每天都在實(shí)驗(yàn)室，并且每天花至少5-10分鐘和每個(gè)人交流工作。△Paul S. Mischel, M.D., Ph.D，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校病理學(xué)杰出教授，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）會(huì)員，美國(guó)醫(yī)師學(xué)會(huì)會(huì)員，美國(guó)臨床研究協(xié)會(huì)會(huì)員。
TIMEDOO：在求學(xué)和職業(yè)發(fā)展過(guò)程中，有沒(méi)有什么事情對(duì)你產(chǎn)生了重大的影響？吳思涵：我談兩件事，一件和學(xué)術(shù)有關(guān)，一件看似和學(xué)術(shù)無(wú)關(guān)但其實(shí)非常重要。第一件事，是自己邁過(guò)了一個(gè)坎。在直博的第四、五年間，我發(fā)現(xiàn)自己的思維非常局限，感覺(jué)在原地踏步，亟需成長(zhǎng)。雖然后來(lái)拿到了去加州大學(xué)做博后的offer，但是在入職的頭一年，發(fā)現(xiàn)在研究所三層樓里面，每一個(gè)人都是那么優(yōu)秀，就更加感受到了自己的局限性，甚至有想過(guò)放棄學(xué)術(shù)，發(fā)展其他事業(yè)。不過(guò)后來(lái)Paul跟我說(shuō)，每一個(gè)人能夠來(lái)到這里，都有一個(gè)具體原因。而我之所以能夠加入這個(gè)團(tuán)隊(duì)，是有足夠強(qiáng)大的創(chuàng)造力。而當(dāng)邁過(guò)自我否定與懷疑的坎之后，整個(gè)人如脫胎換骨，有了新的成長(zhǎng)。第二件對(duì)我成長(zhǎng)有極大幫助的，是以前在中山大學(xué)讀書(shū)期間，多年的藝術(shù)團(tuán)經(jīng)驗(yàn)。其中，合唱團(tuán)對(duì)我的影響是巨大的，不光鍛煉了我的發(fā)聲、口才、辦事能力、領(lǐng)導(dǎo)能力，多年的舞臺(tái)經(jīng)驗(yàn)也對(duì)我個(gè)人的形象氣質(zhì)，有重大的助益。比如說(shuō)，現(xiàn)在去公開(kāi)場(chǎng)合講報(bào)告，都是信手拈來(lái)。當(dāng)然，這背后也是謹(jǐn)記藝術(shù)團(tuán)老師的教誨：成功的前提是熟練。所以我特別感謝中大藝術(shù)團(tuán)的幾位老師對(duì)我的栽培。同時(shí)我也建議師弟師妹們不要一頭悶在實(shí)驗(yàn)室里，要利用在學(xué)校的時(shí)間，去全方位培養(yǎng)自己的能力與素質(zhì)。
△2007年中山大學(xué)南校區(qū)合唱團(tuán)演出照片TIMEDOO：聽(tīng)說(shuō)你是科普網(wǎng)紅？為什么想著要寫(xiě)科普呢？目前主要的創(chuàng)作平臺(tái)？吳思涵：呵呵，算是涼掉的過(guò)氣網(wǎng)紅吧。我覺(jué)得，作為科研人員，除了做好具體的科學(xué)工作外，還需要承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。因?yàn)?，科研基金主要?lái)自國(guó)家的撥款，而國(guó)家的撥款又是從納稅人手里獲得的。作為科學(xué)家，也應(yīng)對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)任。至少應(yīng)該在力所能及的范圍內(nèi)，去傳播科學(xué)知識(shí)。當(dāng)然，這僅僅是我對(duì)自己的要求，并不是說(shuō)每個(gè)科學(xué)家都必須這么做。在科普創(chuàng)作中，自己也有很多收獲，比如鍛煉了表達(dá)能力。事實(shí)上，如果科學(xué)家不會(huì)寫(xiě)也不會(huì)講，那是不行的。因?yàn)橐@取科研經(jīng)費(fèi)，是要寫(xiě)申請(qǐng)書(shū)的。而為了獲得合作機(jī)會(huì)，也需要將自己的研究成果包裝出去，讓更多的科學(xué)家來(lái)對(duì)你的科研產(chǎn)生興趣。近兩年，我的科普平臺(tái)是知識(shí)星球“真知拙見(jiàn)”（KnowledgeHot）。“真知拙見(jiàn)”是一個(gè)由海內(nèi)外教授、博士、高管共同運(yùn)營(yíng)的高質(zhì)量付費(fèi)訂閱中文知識(shí)分享社區(qū)，在這里可以和許多不同領(lǐng)域的專(zhuān)家共同交流 。特別有意思的是，這篇Nature論文得到了“真知拙見(jiàn)”社區(qū)嘉賓的幫助。其中有個(gè)重要的數(shù)據(jù)分析方法，是和社區(qū)里面的同行學(xué)來(lái)的。
△知識(shí)星球“真知拙見(jiàn)”，每天都有精華中文科普知識(shí)更新
△知識(shí)星球“真知拙見(jiàn)”的豪華嘉賓陣營(yíng)，領(lǐng)域覆蓋文、理、工、商、醫(yī)、法學(xué)科
TIMEDOO：接下來(lái)在事業(yè)上有什么規(guī)劃呢？吳思涵：未來(lái)還是想繼續(xù)從事科研工作。目前在各地尋找一些高校、研究所、或者醫(yī)院的獨(dú)立科研崗位。由于目前求職季才剛開(kāi)始，所以未來(lái)半年主要就是在忙這件事，希望能到理想的單位就職。— 專(zhuān)訪華人科學(xué)家 —
吳思涵博士，2009年獲得中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院學(xué)士學(xué)位，隨后以保送直接攻博的方式，進(jìn)入中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院，師從顏光美教授從事腫瘤研究工作。2014年獲得藥理學(xué)博士學(xué)位后，進(jìn)入美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校開(kāi)展博士后工作。曾獲教育部研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，以及教育部博士學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)。在包括Nature，Nature Reviews Cancer等期刊上發(fā)表論文與專(zhuān)著19篇。版權(quán)聲明
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△2007年中山大學(xué)南校區(qū)合唱團(tuán)演出照片
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