转座元件在染色体外DNA上的增强子激活：癌症中重复序列功能重编程的新机制

《Nature Cell Biology》：Enhancer activation from transposable elements in extrachromosomal DNA

本研究揭示了在MYC基因扩增的ecDNA上，转座元件（TE）特别是L1M4a1#LINE/L1片段被激活为功能性增强子的新机制。通过Hi-C、CRISPR-CATCH和ORCA等技术，研究人员发现EIE14在ecDNA特殊三维结构中与MYC空间聚类，并通过CRISPRi证实其对癌细胞生存的关键作用。这项发表于《Nature Cell Biology》的研究为理解ecDNA驱动肿瘤异质性和基因表达调控提供了新视角，对癌症诊断和治疗具有重要启示意义。

　　

在侵袭性癌症中，染色体外DNA（ecDNA）作为癌基因扩增的重要载体，驱动着肿瘤内异质性和治疗抵抗。然而，在这些环状DNA元件上，占人类基因组约40%的转座元件（TE）是否具有功能活性，一直是未解之谜。传统观点认为这些重复序列多处于沉默状态，但《Nature Cell Biology》最新研究发现，当转座元件被整合到ecDNA上时，它们可能被重新激活为功能性增强子，从而促进癌基因表达和肿瘤进化。

研究人员以结直肠癌细胞COLO320DM为模型，聚焦于MYC基因扩增的ecDNA。通过Hi-C（高通量染色质构象捕获）技术绘制ecDNA的三维架构时，意外发现了68个与ecDNA相互作用的基因组位点（EIEs），这些位点富含LINE（长散在核元件）、SINE（短散在核元件）和LTR（长末端重复序列）等转座元件。特别引人注目的是，一个源自染色体3的L1M4a1#LINE/L1片段（EIE14）与MYC癌基因在ecDNA上共同扩增。

为验证这些元件的功能，研究团队运用了多项前沿技术：通过牛津纳米孔长读长测序和CoRAL算法重建ecDNA结构；利用CRISPR-CATCH（Cas9辅助染色体片段靶向捕获）技术分离并测序ecDNA片段；采用ORCA（染色质结构光学重建）技术定量分析ecDNA的空间组织；设计CRISPRi（CRISPR干扰）筛选评估EIEs对癌细胞增殖的影响；以及进行荧光素酶报告基因实验验证增强子活性。

ecDNA结构变异富含转座元件插入

Hi-C分析显示，ecDNA与内源性染色体区域之间存在不典型的条纹状相互作用模式。这些相互作用位点显著富集转座元件，表明它们可能通过结构变异整合到ecDNA中。纳米孔长读长测序进一步证实，68个EIEs均参与广泛的结构变异，其中一些涉及数百甚至数千种不同的重排事件。

EIE14是MYC ecDNA的"乘客"

通过CoRAL算法重建ecDNA，研究发现EIE14（原本位于染色体3）通过易位连接到染色体8上CASC8和MYC之间的基因间区。CRISPR-CATCH实验不仅证实了EIE14在ecDNA上的存在，还揭示了含有该插入的ecDNA分子存在多种大小变异。值得注意的是，约46%的健康个体中也存在这种结构变异，表明EIE14在癌症形成前就已存在，随后作为"乘客"在ecDNA上扩增。

EIE14与MYC频繁接触

ORCA空间成像分析显示，EIE14与MYC和PVT1在三维空间中形成聚类。虽然MYC与EIE14的中位距离为797纳米，但12%的位点位于300纳米的基因调控范围内。Ripley's K空间点模式分析表明，在200纳米距离内，EIE14与MYC存在显著聚类行为（K值>1），这种空间亲近性类似于增强子-启动子相互作用。

EIE14对癌细胞适应性至关重要并显示增强子活性

CRISPRi筛选发现，靶向36个EIEs中的3个（包括EIE14）导致细胞活力显著下降（Z值<-1）。表观遗传特征分析显示，EIE14在COLO320DM细胞中具有H3K27ac（组蛋白H3第27位赖氨酸乙酰化）、BRD4结合和ATAC-seq（测序转座酶可及染色质测定）可及性等增强子特征，与其在正常细胞中的H3K9me3（组蛋白H3第9位赖氨酸三甲基化）沉默状态形成鲜明对比。

ecDNA环境对EIE14增强子活性至关重要

RNA-FISH（RNA荧光原位杂交）实验表明，EIE14仅在ecDNA存在的COLO320DM细胞中转录活跃，而在拷贝数匹配但ecDNA整合到染色体上的同基因COLO320HSR细胞中不活跃。荧光素酶报告基因实验进一步证实，EIE14能显著增强MYC启动子驱动的基因表达，且其L1M4a1和L1PA2片段均具有独立的增强子活性。

研究结论表明，转座元件在ecDNA的特殊环境中能够逃脱正常染色质沉默机制，被重新激活为功能性调控元件。EIE14作为增强子调控MYC表达的发现，揭示了ecDNA利用重复序列塑造癌症表型的新机制。这种机制可能解释为何ecDNA能如此有效地驱动癌基因表达和肿瘤进化。更重要的是，转座元件在ecDNA上的反复共扩增现象提示，它们可能为ecDNA提供进化优势，类似于转座元件在细菌质粒进化中的作用。

这项研究的深远意义在于，它不仅揭示了癌症中重复序列功能重编程的新范式，还为癌症诊断提供了潜在的生物标志物，为治疗干预提供了新的靶点。理解ecDNA如何利用基因组中大量存在的"垃圾DNA"作为调控元件，可能为未来开发针对ecDNA驱动癌症的新疗法奠定基础。