Genetic elements promote retention of extrachromosomal DNA in cancer cells

生物 染色体外DNA 有丝分裂 染色质 DNA 遗传学 细胞分裂 DNA甲基化 染色体 细胞生物学 基因 发起人 细胞周期 细胞 染色体分离 转录因子 癌基因 抄写(语言学) 癌细胞 同源染色体 癌症 表观遗传学 人类基因组 甲基化 DNA复制 组蛋白 异源的 分子生物学 基因表达调控 有丝分裂出口 生殖系 人类遗传学 计算生物学 表观基因组 核小体
作者
Venkat Sankar,King L. Hung,Aditi Gnanasekar,Ivy Tsz-Lo Wong,Quanming Shi,Katerina Kraft,Matthew G. Jones,Britney Jiayu He,Xiaowei Yan,Julia A. Belk,Kevin J. Liu,Sangya Agarwal,Sean K. Wang,Anton G. Henssen,Paul S. Mischel,Howard Y. Chang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:649 (8095): 152-160 被引量:10
标识
DOI:10.1038/s41586-025-09764-8
摘要

Abstract Extrachromosomal DNA (ecDNA) is a prevalent and devastating form of oncogene amplification in cancer 1,2 . Circular megabase-sized ecDNAs lack centromeres, stochastically segregate during cell division 3–6 and persist over many generations. It has been more than 40 years since ecDNAs were first observed to hitchhike on mitotic chromosomes into daughter cell nuclei, but the mechanism underlying this process remains unclear 3,7 . Here we identify a family of human genomic elements, termed retention elements, that tether episomes to mitotic chromosomes to increase ecDNA transmission to daughter cells. Using Retain-seq, a genome-scale assay that we developed, we reveal thousands of human retention elements that confer generational persistence to heterologous episomes. Retention elements comprise a select set of CpG-rich gene promoters and act additively. Live-cell imaging and chromosome conformation capture show that retention elements physically interact with mitotic chromosomes at regions that are mitotically bookmarked by transcription factors and chromatin proteins. This activity intermolecularly recapitulates promoter–enhancer interactions. Multiple retention elements are co-amplified with oncogenes on individual ecDNAs in human cancers and shape their sizes and structures. CpG-rich retention elements are focally hypomethylated. Targeted cytosine methylation abrogates retention activity and leads to ecDNA loss, which suggests that methylation-sensitive interactions modulate episomal DNA retention. These results highlight the DNA elements and regulatory logic of mitotic ecDNA retention. Amplifications of retention elements promote the maintenance of oncogenic ecDNA across generations of cancer cells, and reveal the principles of episome immortality intrinsic to the human genome.
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