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Mol Cell | 界面电化学活性:ecDNA hubs抵御氧化应激的非酶机制

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染色体外DNA(ecDNA)是驱动肿瘤恶性进展、异质性演化及耐药的关键遗传物质形态【1】,与染色体不同,ecDNA缺乏经典的高级染色质压缩结构,表现出极高的染色质可及性【2】,使其高度暴露于复杂的核内微环境中。这就引出了一个生物学悖论:肿瘤细胞内通常伴随着极高的活性氧(ROS)水平,处于高氧化应激状态【3,4】,这种缺乏致密结构保护的ecDNA理论上极易受到ROS攻击而发生DNA双链断裂(DSBs)。那么,ecDNA究竟是如何在恶劣的氧化环境中“独善其身”,维持其结构稳定性并持续发挥致癌活性的呢?

2026年10月15日,南开大学药学院孙涛、张恒团队与美国圣路易斯华盛顿大学(WashU)Yifan Dai团队合作,在Molecular Cell杂志在线发表了题为Inherent electrochemical activity of extrachromosomal DNA hub buffers spatial redox stress in nucleus的研究论文。该研究不同于传统代谢酶学的视角,阐释了ecDNA hubs【5,6】通过非酶促的“界面电化学活性”来抵抗氧化应激的生存新机制,并据此提出靶向ecDNA微环境的抗癌策略。


为了研究ecDNA应对氧化应激的生存机制,研究团队首先利用了一对经典的等基因型(isogenic)结直肠癌细胞系:COLO320-DM(含有大量ecDNA形式的MYC扩增)和COLO320-HSR(MYC扩增整合在染色质上)【7】。发现DM细胞内GSH水平显著升高,其细胞核维持着极高的GSH/GSSG比值,处于抗氧化状态。依据经典的代谢酶学,GSH再生高度依赖谷胱甘肽还原酶(GR)和NADPH。然而,两种细胞中GR表达并无显著差异;抑制或敲除GR显著降低HSR细胞的GSH水平,却对DM细胞几乎没有影响。高分辨率成像进一步显示,GSH在空间上特异性地富集于ecDNA hub周围,形成“GSH保护云”。这提示ecDNA阳性细胞演化出一种独立于经典酶学机制的抗氧化模式。

那么,GSH究竟从何而来?基于Yifan Dai团队在生物大分子凝聚体电化学领域的研究基础【8-11】,团队提出假说:ecDNA hub这种介观(mesoscale)尺度的相分离组装体,其物理化学界面本身可能具有催化化学反应的能力。为验证这一假说,研究团队利用中期细胞染色体与ecDNA的空间分离特性,通过低渗溶胀和密度梯度离心,成功提取高纯度天然ecDNA hubs。体外实验发现,即便在缺乏NADPH和代谢酶的条件下,ecDNA hubs仍能以时间和剂量依赖的方式将GSSG还原为GSH。进一步研究发现,ecDNA hub与周围稀溶液之间存在明显的pH梯度,相分离界面上形成强大的局域电场。当用表面活性剂或1,6-己二醇破坏ecDNA hub结构时,电场信号减弱,其还原GSSG的能力也随之下降。这解释了为何单体ecDNA在细胞内倾向于聚集形成介观尺度(mesoscale)的hub:这种空间上的组装不仅是为了拉近增强子驱动癌基因高表达【5】,更赋予其非酶电化学催化能力,使ecDNA hub化身“微型电化学反应器”【8】。

在机制明确的基础上,研究人员提出治疗新思路:瓦解ecDNA hub的界面电场,或可实现ecDNA清除。鉴于ecDNA表面带有负Zeta电势,研究团队发现核内天然多胺亚精胺(spermidine)可特异性结合并中和ecDNA hub的表面电荷,破坏界面电场,使“GSH保护云”迅速消散。失去抗氧化保护后,ecDNA在高氧化环境中发生大量DSBs;受损ecDNA进一步被包裹入核源性囊泡,经细胞质溶酶体途径降解。在小鼠移植瘤模型中,亚精胺治疗显著降低肿瘤GSH水平、诱导ecDNA断裂并抑制肿瘤生长,且安全性良好。

总而言之,该研究基于肿瘤生物学、相分离凝聚体与界面物理化学的学科交叉,阐释了ecDNA在极度氧化环境下的稳定机制,也在病理背景下证实,介观尺度的生物大分子凝聚体能够发挥不依赖于酶的“固有电化学活性”,提出了通过干预“非酶电化学微环境”来清除ecDNA的潜在成药方向。


https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(26)00661-1

制版人:十一

参考文献

1. Yan, X., Mischel, P., and Chang, H. (2024). Extrachromosomal DNA in cancer.Nature reviews. Cancer24, 261-273. 10.1038/s41568-024-00669-8.

2.Wu, S., Turner, K.M., Nguyen, N., Raviram, R., Erb, M., Santini, J., Luebeck, J., Rajkumar, U., Diao, Y., Li, B., et al. (2019). Circular ecDNA promotes accessible chromatin and high oncogene expression.Nature575, 699-703. 10.1038/s41586-019-1763-5.

3.Glorieux, C., Liu, S., Trachootham, D., and Huang, P. (2024). Targeting ROS in cancer: rationale and strategies. Nature reviews.Drug discovery23, 583-606. 10.1038/s41573-024-00979-4.

4.Jin, P., Feng, X.-D., Huang, C.-S., Li, J., Wang, H., Wang, X.-M., Li, L., and Ma, L.-Q. (2024). Oxidative stress and cellular senescence: Roles in tumor progression and therapeutic opportunities.MedComm – Oncology3, e70007. https://doi.org/10.1002/mog2.70007.

5.Hung, K.L., Yost, K.E., Xie, L., Shi, Q., Helmsauer, K., Luebeck, J., Schöpflin, R., Lange, J.T., Chamorro González, R., Weiser, N.E., et al. (2021). ecDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression.Nature600, 731-736. 10.1038/s41586-021-04116-8.

6.Taghbalout, A., Tung, C.H., Clow, P.A., Tjong, H., Wang, P., Wong, C.H., Mao, D.D., Maurya, R., Huang, M.F., Ngan, C.Y., et al. (2025). Extrachromosomal DNA associates with nuclear condensates and reorganizes chromatin structures to enhance oncogenic transcription.Cancer cell43, 2191-2205.e2196. 10.1016/j.ccell.2025.08.008.

7.Quinn, L.A., Moore, G.E., Morgan, R.T., and Woods, L.K. (1979). Cell lines from human colon carcinoma with unusual cell products, double minutes, and homogeneously staining regions.Cancer research39, 4914-4924.

8.Dai, Y., Wang, Z.G., and Zare, R.N. (2024). Unlocking the electrochemical functions of biomolecular condensates.Nature chemical biology20, 1420-1433. 10.1038/s41589-024-01717-y.

9.Yu, W., Ma, Y., Yang, L., Zhou, Y., Liu, X., and Dai, Y. (2026). Electrogenic protein condensates as intracellular electrochemical reactors.Nature materials25, 667-674. 10.1038/s41563-025-02434-0.

10.Chen, M.W., Guo, X., Farag, M., Qian, N., Song, X., Ni, A., Liu, V., Xia, Y., Ma, Y., Yang, L., et al. (2026). Biomolecular condensates can function as inherent catalysts.Molecular cell86, 3310-3331.e3310. 10.1016/j.molcel.2026.07.008.

11. Dai, Y., Chamberlayne, C.F., Messina, M.S., Chang, C.J., Zare, R.N., You, L., and Chilkoti, A. (2023). Interface of biomolecular condensates modulates redox reactions.Chem9, 1594-1609. 10.1016/j.chempr.2023.04.001.

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