Nature重磅新星-eccDNA的物种发现史
文章导读
随着高通量测序技术的发展，人类基因组中的神秘面纱被一层层的揭开。eccDNA(extrachromosomal circular DNAs，eccDNAs)作为染色体外的环状DNA的研究也随着国际顶 级学术期刊中《Nature》和《Cell》相继发表的关于eccDNA在肿 瘤的发生和发展中具有重要功能的报道成为了基因组学研究中的一个爆点。那么对于eccDNA在不同物种中的研究程度也成了众多科研工作者关注的内容。今 天小编将带大家了解一下eccDNA在不同物种中“现身”的历史。
众所周知，eccDNA是染色体外的一种特殊的环状DNA，从它的出现到人们发现它在肿 瘤中有巨大作用时，已长达55年，在此期间人们发现环状DNA是自然界普遍存在的一种DNA分子形式，例如细菌或酵母等微生物的基因组DNA、细菌质粒、线粒体DNA等等都是环状DNA分子。真核生物中还有一类特殊的环状DNA分子，它们从正常基因组中分离或脱落下来，游离于染色体基因组之外，以特殊的方式参与生理或病理过程。由于它们是在染色体之外独立存在的DNA分子，因此统称为染色体外DNA，又因为是环状结构，因此称其为染色体外环状DNA，简称eccDNA。它在很多物种中均存在，包括酵母、线虫、果蝇、哺乳动物、植物等等。今 天我们将探究一下科研界新星eccDNA在不同物种中的研究历史。
文章展示
1.来自儿童恶性肿 瘤细胞中的双微体
发表期刊：The Lancet
影响因子：59.102
发表时间：1965.7.10
文章链接：MINUTE CHROMATIN BODIES IN MALIGNANT TUMOURS OF CHILDHOOD
1965年David和Catherine等在检查6例来自人类肿 瘤染色体的过程中，遇到了一个从未发现过的异常现象：除了肿 瘤细胞中结构完整的染色体组以外，有非常小的双染色质体的存在。Cox, D.等报道从人的肿 瘤标本细胞中发现的染色体外的DNA分子经常是成对出现的，因此当时称其为双微体（double-minutes）。作者首先考虑了双染色质体是外来起源的可能性。从形态上看，它们中的一些很容易让人联想到某些双球菌，但经过多次探究认为它们并不是来自于细菌的污染，因此，它们的起源可以被认为是染色体来源的，但没有足够的证据来确定它们是如何产生的。
发表期刊：Nucleic Acids Research
影响因子：11.147
发表时间：1988.4.5
文章链接：Characterization of repetitive sequence families in mouse heart small polydisperse circular DNAs:age-related studies
作者利用碱性变性-复性、酶切和密度梯度法从1个月、8个月、16个月和24个月C57BL/6小鼠心脏组织中分离出闭合环状DNA(cccDNA)。电子显微镜分析表明，所有这些样品都含有小的多分布环状DNA (spcDNAs)。spcDNAs在各个年龄的大小分布相似，但在24个月的小鼠心脏spcDNA样品中观察到跨度更大的大小分类和更大的环状DNA分子。根据spcDNAs的终含量，这些环状分子在体内的数量的变化似乎并不与年龄相关。此外，[3H]-pBR322恢复研究显示，未发现可能影响年轻组织和老龄组织spcDNAs产量变化的内源性因素。为了确定spcDNAs中重复序列的数量的变化是否与年龄相关，作者使用B1、B2、IAP、L1和小鼠基因组的序列探测心脏spcDNAs。杂交结果显示，这些序列在spcDNAs各年龄中的表达差异较大。各年龄组中B2序列表达量较高，Ll序列低。B1-、B2-、IAP-和L1-spcDNAs的数量在小鼠出生后24个月时出现下降。说明这些多分布环状DNA串联重复序列的表达与小鼠的不同年龄阶段相关。
发表期刊：EMBO reports
影响因子：8.383
发表时间：2002.10.15
文章链接：Formation of extrachromosomal circles from telomeric DNA in Xenopus laevis
端粒DNA(包括染色体外DNA)的不稳定性和可塑性通常与端粒酶的缺失和哺乳动物细胞的异常生长有关。文章中作者在早期胚胎中检测到大量与端粒序列(tel-eccDNA)同源的松弛环，占细胞端粒DNA总含量的10%，并展示了在非洲爪蟾发育过程中染色体外端粒重复序列(tel-eccDNA)的形成。eccDNA是由脊椎动物的端粒重复序列(TTAGGG)组成的双链松弛环。其大小于<2 到>20 kb之间，占早期胚胎总细胞端粒含量的10%。tel-eccDNA的数量在发育后期和成人组织中减少。作者利用一种来自非洲爪蟾卵子的无细胞提取物发现tel - eccDNA可以从精子核的端粒染色体束和裸露的DNA中以一种不依赖复制的方式从头形成。这些结果表明在非洲爪蟾正常发育过程中的DNA端粒具有不寻常的可塑性。
发表期刊：Nucleic Acids Research
影响因子：11.147
发表时间：2005.7.26
文章链接：Evidence for rolling circle replication of tandem genes in Drosophila
染色体外环DNA (eccDNA)是真核生物基因组可塑性的一个特征。它存在于各种生物体中，包含主要来自重复染色体DNA的序列。作者利用二维凝胶电泳检测了果蝇eccDNA，发现在果蝇中eccDNA大小从<1 kb到> 20kb，占细胞总重复DNA的10%并存在于果蝇的整个生命周期中。此外作者首 次报道了果蝇中发生eccDNA滚动循环复制的证据，即在二维凝胶上展示了色谱法富集的特定结构，并在其他体系中作为滚环中间体（RCIs）进行了鉴定。这些RCIs与组蛋白基因同源，它们都以串联重复序列的形式存在于染色体中。基于此，作者认为滚环复制（RCR）可能发生在任何eccDNA上，将RCR产物重新整合到基因组中可能为真核生物基因组中串联重复扩增提供了一种新的机制。相反，从染色体中切除eccDNA可能在控制染色体重复数量和防止其过度膨胀方面发挥重要作用。
发表期刊：Nature
影响因子：43.07
发表时间：2006.10.26
文章链接：Amplification of histone genes by circular chromosome formation in Saccharomyces cerevisiae
适当的组蛋白水平对转录、染色体分离和其他染色质介导的过程至关重要。在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中，组蛋白H2A和H2B由HTA1-HTB1和HTA2-HTB2两对基因编码。前期研究表明，当HTA2-HTB2缺失时，HTA1-HTB1在转录水平上的表达量有补偿性的提高。本文提出，HTA2-HTB2通过一个小的环状染色体进行扩增。在包含39 kb的II染色体的复制中，包括了HTA2-HTB2、组蛋白H3-H4位点HHT1-HHF1、着丝粒和复制起点。新染色体的形成是由两侧的两个Ty1逆转录转座子组成的。减数分裂后，这两个特定Ty1元件的重组在hta1-htb1Δ突变体中具有很高的水平，表明减少的组蛋白H2A、H2B的水平刺激组蛋白基因的扩增。同时也证明了在酿酒酵母中能通过控制组蛋白基因的表达量来保持基因组的完整性。
发表期刊：The Plant Journal
影响因子：5.786
发表时间：2007.12.3
文章链接：Extrachromosomal circular DNA derived from tandemly repeated genomic sequences in plants
染色体外环DNA(eccDNA)是真核生物基因组可塑性的一个特征。EccDNA在大小上是异质的，包含的序列主要来自重复的染色体DNA。本文作者通过二维凝胶电泳鉴定报告了eccDNA在小型和大型基因组植物物种均有发生，结果表明eccDNA在拟南芥和短毛菊双色体细胞中都很容易检测到，这反映了eccDNA在野生型植物中发生是正常现象。植物eccDNA的大小从> 2 kb到< 20 kb不等，与其他生物体的大小相似。这些DNA分子相当于这两个物种中的5S核糖体DNA (rDNA)、非编码染色体高拷贝串联重复序列和端粒DNA。在两个物种中都发现了5S rDNA重复单位的环状多聚体。这种串联重复序列的环状多聚体在动物模型中也被发现，说明在真核生物中eccDNA形成具有共同机制。这一机制可能是通过染色体内同源重组产生的环状结构。这些结果对基因组可塑性和进化过程的研究具有积极意义。
发表期刊：PNAS
影响因子：9.58
发表时间：2018.2.15
文章链接：Extrachromosomal circular DNA-based amplification and transmission of herbicide resistance in crop weed Amaranthus palmeri
面对各种选择压力时，如抗 生素、细胞毒性 药 物、杀虫剂、除草剂和其他应激环境条件人们在许多细菌和真核生物中观察到基因扩增的现象。这些拷贝数增加的基因一般是染色体外元件，通常包含自主复制的染色体外环状DNA分子(eccDNAs)。棕榈苋是一种农作物杂草，通过扩增5-烯醇丙酮基草酯-3-磷酸合酶，可以产生对草 甘膦的除草剂抗性(EPSPS)基因。本文报道了在草 甘膦除草剂(GR) 中扩增的EPSPS拷贝以不同构象的eccDNAs的形式存在。eccDNAs在有丝分裂和减数分裂的细胞分裂过程中通过一种未知的与有丝分裂和减数分裂染色体相连的机制被传递到体细胞、生殖细胞和子代。作者认为eccDNAs在向子细胞的传递过程中的不均一性可以快速产生体细胞变异，扩增孢子体中的传递到生殖细胞的EPSPS基因，并通过基因组可塑性和适应性进化调节快速的草 甘膦抗性。
发表期刊：New Phytologist
影响因子：7.299
发表时间：2019.4.9
文章链接：Molecular mechanisms of adaptive evolution revealed by global selection for glyphosate resistance
杂草对草 甘膦的抗性揭示了耐药机制在进化中的多样性，包括除草剂在液泡中的富集、细胞的快速死亡反应、除草剂靶向目标EPSPS(5-烯醇丙酮基酯-3-磷酸合酶)中的核苷酸多态性和EPSPS基因拷贝数的增加。对于杂草抗草 甘膦基因EPSPS基因拷贝数增加的过程中，观察到两种不同的分子遗传机制，串联重复机制和一个与染色体相连并在减数分裂时传递给配子的大的染色体外环状DNA(eccDNA)。这些不同的机制对抗性性状的传递、适应和遗传产生了一系列影响，特别是eccDNA，为证明除草剂抗性基因如何进化为植物能适应当代环境胁迫的性状带来新的见解。
发表期刊：Nucleic Acids Research
影响因子：11.147
发表时间：2019.8.28
文章链接：Programmed genome rearrangements in Oxytricha produce transcriptionally active extrachromosomal circular DNA
染色体外环DNA (eccDNA)是真核生物基因组不稳定性的驱动因素，也是基因组程序化重排的产物，但其程度尚未在尖毛虫(一种发育过程中具有复杂的DNA消除和易位的纤毛虫)中报道。文中作者捕获了基因组重排中特定的环状DNA分子，从而深入了解其程序性基因组重排的过程。作者恢复了数千个循环切除的Tc1/marine型转座元件和高可信度的非重复种质限制基因位点。通过使用环状DNA深度测序、2D凝胶电泳和反聚合酶链反应验证了它们的环状拓扑结构。此外，还证明了环状DNA在尖毛虫中转录，产生重排特异性的长链非编码RNA。数千个eccDNA分子的程序化形成使尖毛虫成为一个研究核酸拓扑结构的模式生物。这也表明eccDNA参与了程序化基因组重排。
发表期刊：PLOS Biology
影响因子：7.076
发表时间：2019.10.31
文章链接：Transcription-induced formation of extrachromosomal DNA during yeast ageing
染色体外环DNA (eccDNA)允许快速和广 泛的基因拷贝数变异从而促进适应性进化，且该过程往往与ai症和衰老的生理病理机制有关。文章中作者证明了在铜处理环境下衰老的酵母中积累了高水平的含有铜抗性基因CUP1的eccDNA。串联重复的CUP1基因的转录导致了含CUP1基因的eccDNA积累。文中开发了一种灵敏的、可定量的eccDNA测序方法，可以显示铜处理时的CUP1 eccDNA积累情况，且具有精确的位点特异性。Sae2、Mre11和Mus81处理导致DNA双链断裂(DSBs)并从CUP1位点重新形成eccDNA，全基因组分析表明，其他编码蛋白的eccDNA在衰老的酵母中具有类似的生物发生途径。虽然CUP1 eccDNA丰富，但其复制效率不高，在衰老细胞中eccDNA的高拷贝数是由于频繁的形成eccDNA和eccDNA的不对称分离而导致的。上述研究表明，年龄相关的遗传变化随着转录模式的变化而变化，导致基因拷贝数受环境的影响。
发表期刊：Genome Biology and Evolution
影响因子：3.462
发表时间：2019.12.20
文章链接：Near-Random Distribution of Chromosome-Derived Circular DNA in the Condensed Genome of Pigeons and the Larger,More Repeat-Rich Human Genome
来源于染色体的染色体外环状DNA (eccDNA)在许多真核生物物种中是常见的。然而，基因组的大小、基因组中的重复元件的含量等基因组特征是否会影响eccDNAs的数量仍有待研究。本文以家鸽为模型生物，研究了与人类基因组相比，家鸽基因组重复元件的分布和数量。通过对三种不同年龄、不同飞行行为的鸽子血液和胸部肌肉中eccDNA的测序，发现了3万个独特的eccDNA。作者确定了鸽子胸肌中可能存在eccDNA的基因组区域，其中包括参与肌肉发育的基因。此外，作者还发现，尽管eccDNA数目与鸽子的生物学年龄无关，但在一个不会飞的品种(王鸽)中，特异的eccDNAs数量明显高于家鸽。此外，对来自鸽子和人类骨骼肌的eccDNA进行比较发现，每个人类细胞核中有9-10倍的特异的eccDNAs。从重复元件中提取的eccDNA序列在人类中占基因组的比例为72.4%(预期为52.5%)和而在鸽子中占8.7%(预期为5.5%)。综上所述，eccDNAs在鸽子中是常见的，并且在不同物种和亚种之间每个细胞核中特异的eccDNA的数量是不同的，同时也表明了重复序列中的eccDNA与基因组中含有的重复元件的比例相关。
发表期刊：The Plant Cell
影响因子：9.618
发表时间：2020.07
文章链接：The EccDNA Replicon: A Heritable, Extranuclear Vehicle That Enables Gene Amplification and Glyphosate Resistance in Amaranthus palmeri
基因拷贝数变异是生物对环境压力作出反应的主要机制。这常常导致不平衡的结构变化，作为维持生命的适应能力而存在。然而，人们对于引起基因增殖的潜在机制却知之甚少。在这里，作者展示了一个对金花苋研究得到的独特结果，在金花苋中有一个常见的大约400kb的染色体外DNA(eccDNA)，其中包含(EPSPS)基因和其他58个具有编码解 毒、复制、重组、转位和运输等功能基因。对草 甘膦胁迫条件下金花苋的基因表达分析显示，这59个基因中有41个表达了EPSPS的高表达基因，以及转氨酶、锌指蛋白和一些未鉴定蛋白的编码基因。eccDNA复制子的基因组结构是由重复序列的可移动遗传元件组成的，这些可移动遗传元件可能对稳定性、DNA复制以及相邻序列和中间序列的整合至关重要。此外，对籽粒苋(软茎苋)和水大 麻(硬茎苋)同源基因的比较分析表明，更高层次的染色质相互作用有助于金花苋形成来源于基因组的eccDNA复制子结构。
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