在约六分之一的人类癌症中，癌细胞携带一种特殊的遗传物质——染色体外DNA（ecDNA）。这些环状DNA片段游离于正常染色体之外，能够大量扩增致癌基因，从而驱动肿瘤快速生长、产生治疗耐药性并导致患者生存期缩短。然而，这些环状DNA结构本身并不稳定，它们如何在癌细胞中维持完整并发挥致癌作用，一直是未解之谜。近日，纪念斯隆-凯特琳癌症中心（MSK）的研究团队在《自然》杂志发表论文，首次揭示了ecDNA维持稳定性的双保险机制，并发现了一个可利用的结构性弱点。
ecDNA的脆弱性：TA重复序列形成易断裂的十字形结构
研究团队由MSK斯隆-凯特琳研究所的Agnel Sfeir博士领导，放射肿瘤学家David Billing博士和研究生Monica Selvaraj共同主导。他们发现，ecDNA上存在重复的DNA序列，这些序列由交替的T和A碱基组成，被称为TA重复序列。这些区域并非维持常规的DNA双螺旋结构，而是能够折叠成异常的十字形结构，这种结构特别脆弱，容易发生断裂。
“我们惊讶地发现ecDNA具有内在的脆弱性，”Sfeir博士表示，“这种环状形状使得基因能够快速扩增，赋予癌细胞生长优势，但同时也天生容易断裂。这意味着癌细胞依赖修复机制来保持ecDNA完整，而这种依赖性可能被我们利用。”
为了验证这一发现，研究人员分析了多种癌症细胞系，包括前列腺癌、胃癌和结直肠癌。他们观察到，TA重复序列区域确实是ecDNA断裂的热点。进一步分析大规模肿瘤测序数据集后，他们发现这些TA重复序列区域也是多种癌症类型中DNA重排的频发位点，表明这一机制在人类肿瘤中普遍存在。
双保险机制：FANCM预防损伤，Polθ修复断裂
ecDNA的脆弱性使得癌细胞依赖于两种蛋白质在不同阶段保护ecDNA。FANCM蛋白在断裂发生前发挥作用，通过平滑有问题的DNA结构来预防损伤；而修复蛋白聚合酶θ（Polθ）则在DNA已经断裂后进行修补。Polθ参与的是微同源介导的末端连接（MMEJ）修复途径，这是一种容易出错的修复方式，但能够快速连接断裂的DNA末端。
当研究人员使用实验性抑制剂阻断Polθ时，ecDNA上的损伤不断累积，环状DNA变得越来越不稳定，癌细胞逐渐丢失ecDNA。相比之下，没有ecDNA的细胞基本上不受影响。这表明靶向Polθ能够选择性地破坏依赖ecDNA的癌细胞。
更令人兴奋的是，当研究人员同时破坏两层保护机制——抑制Polθ并耗竭FANCM时，ecDNA的不稳定性进一步加剧。这一结果提示了一种潜在的联合治疗策略，即同时干扰ecDNA断裂的预防和修复过程。
临床前景：Polθ抑制剂已进入临床开发，靶向ecDNA有望克服耐药
目前，多种Polθ抑制剂已进入临床开发阶段，这为利用新发现的依赖性来破坏ecDNA、对抗依赖这些DNA环的癌症的治疗耐药性提供了可能。Sfeir博士指出：“这为我们思考靶向ecDNA提供了新方式。虽然还有很多需要学习，但我们很兴奋看到这一脆弱性的发现能带我们走向何方。”
该研究得到了美国国家癌症研究所（R01CA229161、U01CA231019、F32CA298730-01、R37CA261183、R01CA270102、RM1HG011014、R01CA281928-01、U24CA264028、P30CA08748）、MSK的Halvorsen计算肿瘤学中心、癌症重大挑战合作项目（由Cancer Research资助，CGCATF-2021/100017，以及国家癌症研究所OT2CA278644）、德国癌症援助Mildred Scheel教授项目（70114107）、欧盟地平线2020研究与创新计划下的欧洲研究理事会（949172）和德国研究基金会（377984878）的资助。
DOI: 10.1038/s41586-026-11048-8