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染色体外癌基因扩增驱动肿瘤进化和遗传异质性

自然体积543，页面122 - 125 (2017）引用本文

主题

摘要

人类细胞有23对染色体。然而，在癌症中，基因可以在染色体或环状染色体外DNA (ecDNA)中扩增，尽管ecDNA的频率和功能重要性尚不清楚1，2，3.，4．我们对17种不同类型的癌症进行了全基因组测序、结构建模和细胞遗传学分析，包括2572个分裂细胞的中期染色体结构和功能分析，并开发了一个名为ECdetect的软件包，可以进行无偏倚的、集成的ecDNA检测和分析。在这里，我们发现在近一半的人类癌症中发现了ecDNA;它的频率因肿瘤类型而异，但在正常细胞中几乎从未发现过。驱动癌基因在ecDNA中扩增最常见，从而增加转录水平。数学模型预测ecDNA扩增会比染色体扩增更有效地增加癌基因拷贝数和瘤内异质性。我们通过对癌症样本的定量分析验证了这些预测。这里提出的结果表明ecDNA有助于加速癌症的进化。

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图1:集成的下一代DNA测序和ecDNA的细胞遗传学分析。
图2:在近一半的癌症中发现ecDNA，并导致肿瘤内异质性。
图3:癌症中最常见的局灶性扩增包含在ecDNA上。
图4:通过染色体外和染色体内机制的局灶扩增理论模型。

参考文献

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下载参考

确认

我们感谢R. Kolodner, W. Mischel, D. Geschwind, Mischel实验室的成员，A. Akbari, A. Iranmehr和A. Patel的有益评论。这项工作得到了路德维希癌症研究所(P.S.M.， b.r.， k.a.， w.k.c.， F.B.F.)，国家脑肿瘤协会(P.S.M.， F.B.F.)的战胜GBM计划，本和凯瑟琳·艾薇基金会(P.S.M.)的支持，Ziering家族基金会为纪念Sigi Ziering (P.S.M.)慷慨捐赠;Susan G. Komen基金会(SAC110036)， Leona M. and Harry B. Helmsley慈善信托基金(2012-PG-MED002)和乳腺癌研究基金会(BCRF);这项工作还得到了以下NIH赠款的支持:NS73831 (P.S.M.)， GM114362 (v.b.， v.d.， D.B.)， NS80939 (F.B.F.)， CA014195和CA159859 (G.M.W.)和CA151819 (D.A.N.)和T32CA121938 (K.M.T.)和NSF赠款:NSF- iis -1318386和NSF- dbi -1458557 (v.b.， v.d.， D.B.)。

作者信息

作者指出

    作者及隶属关系

    1. 路德维希癌症研究所，加州大学圣地亚哥分校，拉霍亚，92093，美国加州

      克里斯汀·m·特纳，古贺智之，李斌，凯伦·阿登，任兵，韦伯斯特·k·卡文尼，弗兰克·b·弗纳里和保罗·s·米歇尔

    2. 加州大学圣地亚哥分校计算机科学与工程系，美国加州拉霍亚92093

      Viraj Deshpande, Doruk Beyter和Vineet Bafna

    3. 肿瘤启动和维持计划，nci指定的癌症中心，桑福德·伯纳姆·普雷比斯医学发现研究所，拉霍亚，92037，加利福尼亚州，美国

      杰西卡·拉塞尔，凯瑟琳·李和罗伯特·韦克斯勒-雷亚

    4. David Geffen加州大学洛杉矶分校医学院分子与医学药理学系，美国加州洛杉矶90095

      大卫·a·内特森和哈利·i·科恩布卢姆

    5. David Geffen加州大学洛杉矶分校医学院神经精神病学研究所-神经科学和人类行为semel研究所和精神病学和生物行为科学系，美国加利福尼亚州洛杉矶90095

      哈利·科恩布卢姆

    6. 亚瑟和索尼娅·拉巴特脑瘤研究中心，患病儿童医院，多伦多，M5G 1X8，安大略省，加拿大

      迈克尔·d·泰勒

    7. 加州大学圣地亚哥分校摩尔斯癌症中心，拉霍亚，92093，加利福尼亚州，美国

      Sharmeela Kaushal & Paul S. Mischel

    8. 加州大学旧金山分校病理科，美国加州旧金山94143

      斯科特·范登堡

    9. David Geffen加州大学洛杉矶分校医学院病理与检验医学系，美国加利福尼亚州洛杉矶90095

      纳格什·拉奥

    10. 基因表达实验室，索尔克生物研究所，拉霍亚，92037，加利福尼亚州，美国

      杰弗里·m·沃尔

    11. 加州大学圣地亚哥分校病理科，美国加州拉霍亚92093

      保罗·s·米歇尔

    作者
    1. 克里斯汀·m·特纳
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    2. Viraj Deshpande
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    3. Doruk Beyter
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    4. Tomoyuki四郎
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    5. 杰西卡Rusert
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    6. 凯瑟琳•李
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    7. 本•李
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    8. 凯伦·雅顿
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    9. Bing任
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    10. 大卫·a·内特森
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    11. 哈利·科恩布卢姆
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    12. 迈克尔·d·泰勒
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    13. Sharmeela Kaushal
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    14. 韦伯斯特·k·卡文尼
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    15. 罗伯特Wechsler-Reya
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    16. 弗兰克·b·弗纳里
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    17. 斯科特·范登堡
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    18. 纳格什·拉奥
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    19. 杰弗里·m·沃尔
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    20. Vineet Bafna
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    21. 保罗·s·米歇尔
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    贡献

    K.M.T, v.d.， d.b.， V.B.和P.S.M.构思并设计了这项研究。K.M.T V.D。,D.B T.K。j。r、中一段和文学士进行实验。d.b.， V.D.和V.B.开发了ECdetect软件，并进行了数学建模和模拟。V.D.和V.B.开发了AmpliconArchitect软件。K.A B.R。,D.A.N F.B.F, W.K.C P.N.R.和G.M.W.提供分析支持。H.i.k, m.d.t, s.k, r.w - r。S.R.V.提供了额外的临床样本和分析支持。K.M.T, v.d.， d.b.， V.B.和P.S.M.根据所有作者的反馈撰写了手稿。

    相应的作者

    对应到Vineet Bafna或保罗·s·米歇尔．

    道德声明

    相互竞争的利益

    V.B.是Digital Proteomics, LLC的联合创始人，拥有股权，并从该公司获得收入。该协议的条款已由加州大学圣地亚哥分校根据其利益冲突政策审查和批准。数字蛋白质组学没有参与这里提出的研究。

    额外的信息

    审核人信息：自然感谢C. Maley, A. Papenfuss和其他匿名审稿人对本工作的同行评审所作的贡献。

    扩展的数据图形和表格

    扩展数据图1

    完整中期扩散对应于中所示的部分中期扩散图1一个，对应的图像图1 b．b，对应的图像图1 c．c，对应的图像图1 d．

    扩展数据图2根据不同的标准，按样品类型分层的ecDNA存在的替代分析。

    在中期，平均每10个细胞具有最少数量ecDNA元件的样品x轴被分类为ecDNA阳性，其分数显示在y轴。垂直线为x= 4表明，平均每10个中期细胞中至少有4个ecDNA元件，0%的正常细胞，10%的永生化细胞，46%的肿瘤细胞系和89%的PDX样本被分类为ecDNA阳性。

    图3正常细胞和永生化细胞中的ecDNA计数。

    图4肿瘤样本下一代测序的覆盖深度直方图。

    我们测序了117个肿瘤样本，包括63个细胞系、19个神经球(PDX)和35个肿瘤组织，覆盖范围从0.6×到3.89×(不包括一个覆盖范围为0.06×的样本)，中位覆盖范围为1.19×。

    扩展数据图5中所示的部分中期扩展对应的完整中期扩展图3 c．

    扩展数据图6 FISH图像显示来自同一样品的细胞中的ecDNA元件和HSRs。

    图7复制数扩增和ecDNA多样性。

    为了测试复制数扩增和多样性有多少可以归因于ecDNA，我们选择了与我们样本集中最常扩增的四种致癌基因结合的FISH探针，表皮生长因子受体，MYC，CCND1或ERBB2，并从四种肿瘤细胞系(GBM39、MB411FH、SF295和PC3癌细胞)中量化了细胞间DNA拷贝数在中期扩散中的变异性。对于每个细胞系，已知只有标记为红色的靶癌基因在ecDNA上被扩增(表皮生长因子受体在GBM39;MYCMB411FH和PC3，以及CCND1在SF295)。其余3个基因位于染色体位点上。目标癌基因始终显示较高的拷贝数(上)和多样性(下)。

    图8 GBM39细胞染色体外或染色体DNA中EGFRvIII扩增的精细结构分析。

    一个， FISH图像显示表皮生长因子受体在GBM39细胞系的不同传代中，ecDNA(上)和HSRs(下)上的基因。对HSR FISH图像的分析表明，在不同的染色体上存在多个整合位点。b，对来自4个独立培养的GBM39的DNA进行下一代测序，以分析扩增的精细结构(补充资料4.3)．在这些培养物的3个生物重复(第1-3行)中，EGFRvIII完全位于ecDNA上，而在后来的一个传代培养物(第4行)中，发现EGFRvIII完全位于HSRs上，没有检测到ecDNA。来自不同ecDNA培养物的DNA结构相同，但存在一定的异质性(P< 2.18 × 10−8对于所有对)，表明有共同的起源。然而，来自hsr的DNA显示出与ecDNA结构相同的保守结构(P< 1.98 × 10−5，补充信息2.4)，可能采用串联复制。c，正常基因组与EGFRvIII ecDNA的可能进展到癌症基因组，并扩增到约100个拷贝数。EGFRvIII ecDNA元件可能聚合成串联复制，并以HSRs的形式重新整合到多个染色体上，因此5-6个HSRs可以容纳大约100个EGFRvIII副本。

    图9 EGFRvIII在未培养的GBM39细胞的染色体外或染色体DNA扩增以及厄洛替尼治疗和停药后的精细结构分析。

    一个，未培养的GBM39细胞对厄洛替尼治疗(ERZ)和停药(ERZ被移除后)的FISH图像分别显示ecDNA扩增、HSR扩增和ecDNA扩增(从上到下)。b，对来自6个独立培养的GBM39进行了下一代DNA测序，以分析扩增的精细结构(补充资料4.3)．测序分析确定的扩增间隔的平均拷贝数在初始样本中:110-150(生物重复在第1-3行)，ERZ样本:5.4(第4行)，停药后:100-105(生物重复在第5-6行)。这三个类别都表现出相似的精细结构，表明有共同的起源(方法)。与原始样本相比，药物戒断复制显示出额外的重排和异质性。c细胞遗传学和测序进展表明，药物应用后，未成熟细胞中的EGFRvIII ecDNA重新整合到HSRs中，HSRs中的副本再次从染色体中分离，形成与未成熟细胞相似的ecDNA。药物戒断样品在结构上也表现出额外的异质性。

    扩展数据图10通过人工计数和ECdetect检测，一个处于中期的GBM细胞，ecDNA计数大(>600)。

    相关的音频

    补充信息

    补充信息

    该文件包含补充章节1-4，包括:章节1 ECDNA计数和存在统计;ECdetect -从DAPI染色中期图像中检测染色体外DNA的软件;第三节AmpliconArchitect:用于识别和重建焦点放大的序列分析;第4节染色体外和染色体内复制的理论模型及补充文献。(PDF 14810kb)

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    特纳，K.，德什潘德，V.，贝特，D.。et al。染色体外癌基因扩增驱动肿瘤进化和遗传异质性。自然543， 122-125(2017)。https://doi.org/10.1038/nature21356

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