Nat:eccDNAs高先天免疫刺激活性物 染色体环状DNA

邓文龙

半个世纪前现身的奇特DNA，张毅团队《自然》论文揭晓其三大秘密

eccDNAs 是具有高先天免疫刺激活性的凋亡产物

学术经纬

2021/11/02

论文
论文标题：eccDNAs are apoptotic products with high innate immunostimulatory activity
作者：Wang, Yuangao, Wang, Meng, Djekidel, Mohamed Nadhir, Chen, Huan, Liu, Di, Alt, Frederick W., Zhang, Yi
期刊：Nature
发表时间：2021/10/20
数字识别码：10.1038/s41586-021-04009-w
摘要：Extrachromosomal circular DNA elements (eccDNAs) have been described in the literature for several decades, and are known for their broad existence across different species1,2. However, their biogenesis and functions are largely unknown. By developing a new circular DNA enrichment method, here we purified and sequenced full-length eccDNAs with Nanopore sequencing. We found that eccDNAs map across the entire genome in a close to random manner, suggesting a biogenesis mechanism of random ligation of genomic DNA fragments. Consistent with this idea, we found that apoptosis inducers can increase eccDNA generation, which is dependent on apoptotic DNA fragmentation followed by ligation by DNA ligase 3. Importantly, we demonstrated that eccDNAs can function as potent innate immunostimulants in a manner that is independent of eccDNA sequence but dependent on eccDNA circularity and the cytosolic DNA sensor Sting. Collectively, our study not only revealed the origin, biogenesis and immunostimulant function of eccDNAs but also uncovered their sensing pathway and potential clinical implications in immune response.

所属学科：
免疫学
药明康德内容团队编辑


半个多世纪前，科学家们首次在小麦胚胎和公猪精子中看到了一类奇特的DNA。通常在动植物细胞中，我们熟悉的DNA大部分就像一根根长线，通过紧密缠绕，压缩进染色体结构里。然而这种DNA，它们独立存在于染色体外，并呈现出一个个环状。因此，这些DNA就很自然地被称为染色体外的环状DNA，简称eccDNA。

后来，这类eccDNA不断在各种生物的各种组织和细胞中现身，但它们到底从哪里来的，怎么产生的，有什么用，始终是个谜团。




近日，来自哈佛大学的张毅教授带领其研究团队在顶尖学术期刊《自然》发表长文，揭开了eccDNA的起源与发生之谜，并且指出，这类奇特的DNA具有刺激先天免疫反应的功能，将可以为设计疫苗、免疫疗法等提供新的见解。

在这项研究中，科学家们首先采用了新的手段来收集和纯化这类DNA，并用纳米孔测序（nanopore sequencing）技术获取了全长eccDNA的序列，从而极大地提高了对eccDNA的理解。



▲研究团队开发了一种分三步有效富集纯化eccDNA的方法（图片来源：参考资料[1]）

使用上述方法，研究人员从小鼠胚胎干细胞中识别出了160万个独特的eccDNA，平均长度为1kb。通过详细地分析序列特征并与基因组序列进行匹配，这些DNA的来源之谜被揭开：eccDNA广泛来源于染色体基因组DNA，并且可以由来自不同染色体的基因组片段随机连接形成。



▲使用扫描原子力显微镜（SAFM），我们在癌细胞和非癌细胞里都看到了环状的eccDNA（图片来源：参考资料[1]）


根据eccDNA序列的大小、分布等特征，研究人员猜测，这些片段的产生与细胞凋亡有关。后续的一系列实验则验证了他们的猜测：当人为诱导细胞凋亡发生，可以增加eccDNA的产生，并且在产生eccDNA的过程中需要DNA连接酶Lig3的参与。

顺着这些发现，研究人员进而揭开了eccDNA的第三个谜团：它们有什么用。因为上述结果表明，eccDNA来源于凋亡细胞，由其基因组DNA片段连接产生；而以往曾有研究提示，从垂死细胞中释放的DNA可促进免疫反应，而参与先天免疫反应的一些调节因子又有优先结合DNA弯折结构的倾向。综合这些结果，研究人员猜测，环状的eccDNA可以作为免疫刺激剂。



▲eccDNA在树突细胞中诱导了200多个基因的显著表达，包括与细胞因子有关的基因（图片来源：参考资料[1]）


为验证这一猜想，研究人员在几种典型的免疫细胞中进行了测试。实验结果显示，来源于骨髓的树突细胞、巨噬细胞等对eccDNA十分敏感，极低浓度的eccDNA就可以激活这些免疫细胞，诱导出强烈的免疫反应。

此外，论文还证明了这些eccDNA作为有效的先天免疫刺激剂发挥作用，与其序列无关，而是取决于其成环的特性，并有赖于细胞质中感知DNA分子的Sting通路。

基于这些发现，研究人员对eccDNA潜在的临床意义做出了很多探讨。例如，它们很可能具有佐剂活性，应用于疫苗的设计；而eccDNA介导的免疫应答则可能与某些疾病中观察到细胞因子风暴有关，可以为设计新的疗法提供基础。



▲张毅教授领导了这项研究（图片来源：哈佛大学张毅课题组官网）


“综合来说，这些发现不仅揭示了eccDNA的起源、生物发生和免疫刺激功能，而且还揭示了它们在免疫应答中的途径和潜在的临床意义。”研究作者在论文中总结道。

从五十多年前发现这些奇特DNA以来，今天科学家们揭示了它们激活先天免疫的全新概念。更详细的机制以及潜在的应用，也将是科学家后续研究的方向。我们拭目以待科学家们的新发现。

参考资料：

[1] Yuangao Wang et al., (2021) eccDNAs are apoptotic products with high innate immunostimulatory activity. Nature. Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04009-w


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文章标签
染色体外的环状DNA
先天免疫反应
纳米孔测序
全长eccDNA序列
小鼠胚胎干细胞
染色体基因组DNA
扫描原子力显微镜
细胞凋亡
免疫刺激剂

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04009-w

https://www.linkresearcher.com/t ... 5-9486-7d0eb76de580



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