导读

染色体外环状DNA（extrachromosomal circular DNA, eccDNA）作为一种普遍存在于真核生物中的遗传元件，其高度异质性和复杂的生物学功能一直是分子生物学领域的研究热点。然而，受限于早期技术手段，eccDNA的研究长期处于缓慢发展状态。近年来，随着高通量测序技术和生物信息学方法的飞速进步，研究者对eccDNA的分子结构、起源机制和功能多样性有了更深入的认识。现已明确，eccDNA在遗传变异、基因组不稳定性、环境适应性、耐药性及肿瘤发生等多个生物学过程中扮演关键角色。本文旨在系统梳理eccDNA的分子结构特征及其广泛的生物学功能，为进一步研究提供理论依据。

一、eccDNA的分子结构特征

早期研究通过显微和生化技术确认eccDNA为环状分子，但结构不明。现今技术揭示其松散染色质结构，可携带基因与调控元件。eccDNA长度多样，多在25 kb以下，具有组织与疾病特异性，如肿瘤中更长且血中含量升高，具备临床应用潜力。其广泛分布于基因组，易在基因密集区、重复序列及活跃染色质区形成，多数带正向重复序列。eccDNA可来源于基因、外显子或转座子等，部分类型嵌入调控元件，参与基因表达调控。

二、eccDNA的生物学功能

eccDNA因其结构多样性和动态变化，在多种生物学过程中发挥作用，深刻影响了遗传调控、细胞通讯及疾病发生发展。

1. 调节先天免疫反应

多项研究证实，eccDNA可通过其环状结构激活STING信号通路，从而强烈诱发先天免疫反应。此外，与中性粒细胞外诱捕网（NETosis）相关的eccDNA还可经由Toll样受体（TLR）、AIM2等信号分子参与免疫调节，提示其在感染和自身免疫疾病中的作用。

2. 介导细胞间通讯

eccDNA具有良好的稳定性和移动性，可作为遗传信息载体在细胞之间传递。实验表明，microDNA等eccDNA可在体外和体内被细胞释放和摄取，进而参与局部或远距离的信号传导。例如，在肿瘤微环境中，eccDNA可通过携带癌基因或转录调控元件显著增强恶性表型和转移能力。

3. 增强遗传异质性

eccDNA能够在细胞分裂过程中不均等地分配至子代细胞，从而快速增加群体内的遗传多样性，为环境适应和进化提供基础。在酵母和哺乳动物细胞中均发现，eccDNA可携带适应性基因（如代谢相关基因或抗药基因），并通过基因剂量效应促进细胞在压力环境下存活。

4. 参与衰老过程

研究显示，某些eccDNA（如携带rDNA或端粒序列的环状分子）在衰老细胞中逐渐积累，可能通过占用关键复制元件或激活DNA损伤反应，促使细胞进入衰老状态。酿酒酵母中关于CUP1基因eccDNA的研究进一步证实了其在细胞老化中的促进作用。

5. 维持基因组稳定性

尽管eccDNA通常与基因组不稳定性相关，但在某些情况下，它也可能参与DNA损伤修复和端粒维持。例如，ALT型肿瘤细胞利用端粒环（T-circles）作为滚环复制的模板，以延长端粒并逃避复制衰老。

6. 转录生成功能性RNA

尽管较小的eccDNA（如microDNA）缺乏完整编码能力，它们仍可被转录生成非编码RNA（如miRNA或siRNA），从而调控基因表达。在某些原生生物中，eccDNA甚至可产生长链非编码RNA，参与发育和基因组重排。

7. 增强抗逆性与进化适应性

在植物中，eccDNA可通过扩增抗除草剂基因（如草甘膦抗性基因）帮助快速适应环境压力。这种机制为物种在短时间内获得性状优势提供了遗传基础，也为作物的抗逆育种提供了新思路。

8. 在肿瘤发生与发展中的关键作用

eccDNA在多种癌症类型中高度富集，并通过以下机制推动肿瘤进展：

促进癌基因扩增与肿瘤异质性：eccDNA可携带MYC、EGFR、CDK4等重要癌基因，其非孟德尔遗传模式导致基因拷贝数在细胞群体中高度变异，加速异质性肿瘤群体的形成。

介导治疗耐药性：研究表明，eccDNA所携带的药物抗性基因（如DHFR或突变型EGFR）可在化疗或靶向治疗压力下迅速扩增，赋予癌细胞生存优势。抑制同源重组可降低eccDNA的拷贝数，从而部分恢复肿瘤细胞的药物敏感性。

引起基因组结抅重塑：eccDNA可通过重新整合至染色体中，导致抑癌基因失活或原癌基因激活，显著改变基因组结构并驱动恶性演进。

作为肿瘤生物标志物：多种肿瘤患者的血液中可检测到肿瘤特异性eccDNA，其含量与肿瘤负荷和治疗反应密切相关，显示出巨大的诊断与预后应用潜力。

结语

eccDNA作为一类重要的亚细胞遗传元件，其分子结构和功能多样性正逐渐被揭示。从免疫调节到肿瘤进化，从发育到环境适应，eccRNA表现出广泛的生物学意义。随着检测技术和数据分析方法的进一步发展，我们有理由相信，eccDNA将在基础生物学和临床医学中开辟新的研究视野与应用方向。

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