基因片段帮助癌细胞保留额外DNA

人类癌细胞常通过兆碱基大小的环状染色体外DNA（ecDNA）扩增强效致癌基因，这类ecDNA缺乏着丝粒，会在细胞分裂时不对称分离。这种特性导致致癌基因拷贝数和扩增子序列在克隆内产生异质性，使癌细胞在进化过程中能快速适应选择压力。在细胞分裂时，核膜破裂，染色体通过着丝粒附着于纺锤体并分配到子核，而无着丝粒的ecDNA如何被子细胞继承并保留在核内，一直是未解之谜。已知乳头瘤病毒、EB病毒等的环状 episome 会锚定在有丝分裂染色体上“搭便车”进入子核，而ecDNA在有丝分裂时与染色体高度共定位，提示其可能通过类似机制保留，推测ecDNA上存在起锚定作用的“保留元件”。

理论上，能在癌细胞群体中扩增并持续存在的ecDNA需具备三个要素：提供选择优势的“适应元件”（如致癌基因）、复制起点和促进核保留的“保留元件”。虽然后两者已有研究，但保留元件的身份和机制尚不明确。本研究通过新的全基因组功能筛选技术Retain-seq、成像及染色质分析，揭示了ecDNA保留元件的特性和作用原理。

研究团队开发Retain-seq，将含人类基因组随机片段的质粒库转染细胞，经传代后鉴定富集的 episome 序列，发现了数千个保留元件。这些元件高度富集在基因转录起始位点和5'非翻译区，与活性染色质区域相关，如启动子、增强子，以及RNA聚合酶II结合位点，且CpG密度显著高于基因组其他区域。实验显示，保留元件具有叠加效应，多个元件可增强episome保留；单纯的CMV启动子不足以实现保留，提示还需序列特异性相互作用。

活细胞成像和染色体构象捕获（Hi-C）显示，保留元件能与有丝分裂染色体上的“有丝分裂标记区”（即有丝分裂期间仍被转录因子和染色质蛋白结合的区域）物理相互作用，这种作用类似启动子-增强子相互作用。约半数有丝分裂标记区也是保留元件，多种染色质结合蛋白的结合基序在不同细胞系的保留元件中富集。

在癌症患者肿瘤中，多个保留元件与致癌基因在同一ecDNA上共扩增，影响ecDNA的大小和结构。进化模拟显示，ecDNA保留保真度需高于0.9才能被选择扩增，而单个保留元件可将有丝分裂失败率从25%降至10.4%，满足这一要求。ecDNA的大小通常远大于致癌基因编码区，以包含多个保留元件。保留元件在ecDNA上呈局灶性低甲基化，靶向甲基化可消除其保留活性，导致ecDNA丢失，表明甲基化敏感的相互作用调节episome保留。

综上，本研究发现的保留元件是普遍存在、具有叠加效应的功能性DNA元件，通过与有丝分裂标记区相互作用，将ecDNA锚定在染色体上，使其在癌细胞分裂时得以保留。保留元件的扩增促进致癌ecDNA在癌细胞世代间维持，揭示了人类基因组固有的episome“永生”原理，为癌症治疗提供了新靶点。