腫瘤異質(zhì)性這個(gè)名詞，估計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的同行應(yīng)該不會(huì)陌生。簡(jiǎn)而言之，是指在一團(tuán)腫瘤組織之中，每一個(gè)腫瘤細(xì)胞的表達(dá)譜、突變譜是不完全一致的。這也導(dǎo)致在同一個(gè)組織中，不同腫瘤細(xì)胞的功能（比如生長(zhǎng)特性、對(duì)藥物的敏感性等）也并非完全一致。這給腫瘤的治療帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

腫瘤異質(zhì)性，從外因來(lái)講，跟微環(huán)境有關(guān)。比如腫瘤組織的邊緣和中心，有不同的氧分壓和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，而邊緣的腫瘤細(xì)胞，還有機(jī)會(huì)和其他細(xì)胞進(jìn)行通訊，因此導(dǎo)致選擇出不同功能特性的細(xì)胞。但就內(nèi)因來(lái)說(shuō)，是與基因組的異質(zhì)性緊密相關(guān)。為了避免將問(wèn)題擴(kuò)大化，我們暫時(shí)把目光鎖定在原癌基因拷貝數(shù)的異質(zhì)性之上。

二、先從有絲分裂談起

在解釋ecDNA如何驅(qū)動(dòng)腫瘤基因組的異質(zhì)性之前，我們必須先回顧一下有絲分裂的基本知識(shí)。

用大白話來(lái)講，腫瘤是由一團(tuán)分裂不受控制的細(xì)胞組成的。體細(xì)胞的分裂，中文叫做“有絲”分裂。而英文mitosis的詞源出自希臘語(yǔ)mitos，即thread（絲線）之意。這里的“絲”，指的是牽引復(fù)制完畢的染色體往兩極走的“紡錘絲”。

只要學(xué)習(xí)過(guò)高中生物，對(duì)以下的文字應(yīng)該不會(huì)陌生：

有絲分裂前期，復(fù)制完畢的染色質(zhì)開(kāi)始凝聚，形成染色體，兩條姐妹染色單體由共同的著絲粒連接；核膜逐漸降解，中心體移動(dòng)到兩極，放出紡錘絲，附著在染色體的著絲粒上。有絲分裂中期，染色體整齊排列在赤道板上。有絲分裂后期，受紡錘絲的牽引，姐妹染色單體分離，移向細(xì)胞兩極。有絲分裂末期，母細(xì)胞縊裂成兩個(gè)子細(xì)胞，核膜重新形成，致密的染色體重新變成染色質(zhì)。

有絲分裂最重要的一步，是保證細(xì)胞核遺傳物質(zhì)等量分配到兩個(gè)子細(xì)胞之中。這里，紡錘絲和著絲粒功不可沒(méi)。假設(shè)它們出了差錯(cuò)，就會(huì)形成所謂的lagging chromosome（遲滯染色體）。正常情況下，當(dāng)細(xì)胞檢測(cè)到染色體lagging時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)自殺程序，避免將錯(cuò)誤的遺傳信息傳遞給子細(xì)胞。而當(dāng)某些抑癌基因的功能受到抑制時(shí)，自殺程序便無(wú)法被順利啟動(dòng)，從而導(dǎo)致子細(xì)胞染色體倍體異常（即染色體數(shù)變多或變少）。這也是細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化（或者說(shuō)癌變）的機(jī)制之一。

ecDNA也是一種存在于細(xì)胞核的遺傳物質(zhì)。然而目前就ecDNA的起源，尚不十分清楚。但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是從受損的染色體上脫落下來(lái)的碎片，并隨機(jī)拼接起來(lái)的游離于染色體外的DNA。值得注意的是，lagging染色體也可被視為受損的染色體，也有機(jī)會(huì)碎片化。在染色體碎片隨機(jī)拼接時(shí)，有的DNA可頭尾相連，連接成較為穩(wěn)定的環(huán)狀，形成細(xì)胞遺傳學(xué)中所謂的double minute（雙微染色體）。

盡管機(jī)制尚不明確，但已知ecDNA也是可以隨著染色體的復(fù)制而復(fù)制的。最主要的證據(jù)來(lái)自于實(shí)驗(yàn)觀察：只要培養(yǎng)方法得當(dāng)，ecDNA并不會(huì)在細(xì)胞多次分裂（或者說(shuō)多次傳代）后丟失。反過(guò)來(lái)講，假設(shè)ecDNA不可復(fù)制，那么在經(jīng)過(guò)多次細(xì)胞分裂后，就會(huì)被稀釋到不可檢測(cè)的水平——然而事實(shí)并非如此。

三、ecDNA的隨機(jī)分配

正因?yàn)閑cDNA是來(lái)自染色的碎片，自然便不具備和染色體一般完整的結(jié)構(gòu)，比如不存在著絲粒。這就引出一個(gè)重要事實(shí)，在有絲分裂時(shí)，ecDNA是隨機(jī)分配到兩個(gè)子細(xì)胞中的。

我們不妨將原癌基因（橙色）的空間位置分別放在兩個(gè)位置來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題：染色體 vs ecDNA。

先來(lái)看看位于染色體的情況。一個(gè)母細(xì)胞獲得了額外的染色體，導(dǎo)致原癌基因拷貝數(shù)增加，如上圖的3個(gè)拷貝。在有絲分裂時(shí)，受紡錘絲牽引，附著在著絲粒（黑色圓點(diǎn)）姐妹染色單體被平分到兩個(gè)子細(xì)胞中，依然是各3個(gè)拷貝。這屬于經(jīng)典的孟德?tīng)栠z傳。

但當(dāng)原癌基因位于ecDNA時(shí)，情況就復(fù)雜得多。同樣是3個(gè)拷貝的原癌基因，在有絲分裂時(shí)，ecDNA隨著染色體復(fù)制。但是，由于沒(méi)有著絲粒，紡錘絲并不能牢牢將其抓住。這就導(dǎo)致在細(xì)胞縊裂時(shí)，復(fù)制好的ecDNA是隨機(jī)分配到兩個(gè)子細(xì)胞中的。因此，子細(xì)胞的原癌基因拷貝數(shù)可能是以下的組合：0+6，1+5，2+4，或3+3。

四、ecDNA的隨機(jī)分配驅(qū)動(dòng)腫瘤基因組的異質(zhì)性

只要看懂上面那個(gè)圖，我想各位讀者應(yīng)該能理解，ecDNA是如何驅(qū)動(dòng)腫瘤基因組的異質(zhì)性了。這里不妨自行想象一下：大量攜帶ecDNA的腫瘤細(xì)胞不斷分裂，它們的子細(xì)胞，以及更多代以后的細(xì)胞， 會(huì)是什么樣的遺傳狀態(tài)？

我們的合作伙伴利用計(jì)算機(jī)模擬了這樣的情況。

如上圖b，假定將原癌基因分別放在ecDNA或者HSR（染色體上的均質(zhì)染色區(qū)，見(jiàn)上篇解釋?zhuān)?，并賦予ecDNA隨機(jī)分配到兩個(gè)子細(xì)胞的能力；而HSR上的原癌基因拷貝數(shù)，賦予其1%、5%或10%的意外倍增幾率；最后模擬不同情況下，原癌基因拷貝數(shù)的增長(zhǎng)曲線。（忽略了許多具體的模擬參數(shù)，但不影響講解問(wèn)題。）

可以看到，當(dāng)原癌基因位于ecDNA時(shí)，可以更快地獲得更高的拷貝數(shù)，遠(yuǎn)比HSR的10%意外倍增的設(shè)定要快得多。而我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)（上圖c），當(dāng)原癌基因位于ecDNA時(shí)，其拷貝數(shù)從總體上來(lái)講，要比位于染色體的多。

其實(shí)不難理解，在上一節(jié)的示意圖中，我們已經(jīng)知道，假設(shè)母細(xì)胞有3個(gè)ecDNA，它的子細(xì)胞可能有0+6、1+5、2+4或3+3個(gè)ecDNA的組合。假設(shè)是0+6，那么就有一個(gè)子細(xì)胞的ecDNA數(shù)瞬間翻倍。而這個(gè)翻倍的子細(xì)胞的下一代，其ecDNA也有可能再度翻倍。因此，ecDNA的存在，允許腫瘤細(xì)胞在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的原癌基因拷貝。

同時(shí)，正由于ecDNA是分配是隨機(jī)的，在經(jīng)過(guò)多次有絲分裂后，子細(xì)胞群體的原癌基因拷貝數(shù)的離散度就會(huì)變得非常大。我們同樣也使用計(jì)算機(jī)模擬了這一過(guò)程。

生態(tài)學(xué)中有一個(gè)叫“Shannon多樣性指數(shù)”的指標(biāo)，它反映的是一個(gè)群落的多樣性。當(dāng)群落中的生物種類(lèi)越多，比例越均衡，Shannon多樣性指數(shù)就越高。我們借用這個(gè)指數(shù)來(lái)衡量腫瘤組織（相當(dāng)于一個(gè)生物群落）的異質(zhì)性。如上圖所示，當(dāng)原癌基因位于ecDNA時(shí)，腫瘤組織內(nèi)部的多樣性增長(zhǎng)速度比位于HSR的快，說(shuō)明ecDNA可以迅速地推動(dòng)腫瘤的基因組異質(zhì)性。

五、ecDNA推動(dòng)腫瘤的快速演化

由ecDNA驅(qū)動(dòng)的腫瘤基因組多樣性，給腫瘤帶來(lái)什么好處呢？

假設(shè)從進(jìn)化論的角度來(lái)理解，就好辦得多。進(jìn)化論的一個(gè)核心理論是，適者生存。所謂“適“，即性狀相對(duì)于環(huán)境的合適。因此，某個(gè)性狀并不是越強(qiáng)或越弱，就越有利于生存，而是要結(jié)合具體環(huán)境來(lái)考量的。

同樣，就原癌基因的拷貝數(shù)而言，并不是拷貝數(shù)越高，就越有利于腫瘤細(xì)胞。比如說(shuō)，拷貝數(shù)太高，會(huì)給細(xì)胞帶來(lái)代謝負(fù)擔(dān)，在靶向藥物攻擊時(shí)也死得最快；而拷貝數(shù)太低，則無(wú)法獲得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，也可能不足以抵御細(xì)胞本身的凋亡機(jī)制。那么，拷貝數(shù)在什么范圍內(nèi)才是最合適的呢？對(duì)于腫瘤細(xì)胞來(lái)說(shuō)，它們無(wú)法預(yù)先獲知。但是，由于有了ecDNA的隨機(jī)分配特性，腫瘤可以迅速演化出多樣的子代細(xì)胞，用以面對(duì)多種多樣的環(huán)境選擇。

小結(jié)

這一篇文章，本司機(jī)向大家介紹了ecDNA如何驅(qū)動(dòng)腫瘤的異質(zhì)性，并推動(dòng)其快速演化。其根本機(jī)制是：缺乏著絲粒的ecDNA在母細(xì)胞有絲分裂時(shí)，隨機(jī)分配到子細(xì)胞中。一方面，這有利于腫瘤細(xì)胞更快地獲得高拷貝數(shù)的原癌基因，另一方面，又使得子細(xì)胞群體原癌基因拷貝數(shù)的多樣性迅速增長(zhǎng)，從而在短時(shí)間內(nèi)獲得更多的基因型，并得以迅速演化。

下一篇文章，本司機(jī)將向大家講解，攜帶原癌基因的ecDNA是如何為腫瘤治療帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。