2024年2月19日，中山大学肿瘤防治中心徐瑞华、王峰、赵齐团队在《自然通讯》期刊上发表了题为Machine learning-based extrachromosomal DNA identification in large-scale cohorts reveals its clinical implications in cancer的文章。研究团队研发了一种机器学习模型和工具GCAP，用于预测肿瘤基因组中的ecDNA扩增及其相关基因。该模型从基因组变异角度出发，结合了肿瘤样本和基因水平的基因组损伤、拷贝数变异信息以及其他相关因素，能够可靠地预测单一样本中ecDNA扩增的情况。此外，该方法还适用于肿瘤全基因组和SNP芯片数据，具有广泛的实用价值。
ecDNA（extrachromosomal DNA），是细胞染色体外的环状DNA分子，平均大小为1Mb，在多种癌症细胞中普遍存在。研究表明，ecDNA是肿瘤细胞表达癌基因的主要来源，其上癌基因的转录活跃程度远远超过染色体上相同基因的水平。
针对超过3200例临床肿瘤样本的全基因组测序数据分析发现，至少14%的人类肿瘤含有ecDNA，其中胃癌和食道癌中ecDNA阳性患者比例均超过20%。然而，ecDNA的临床意义，尤其是在肿瘤免疫治疗队列中临床关联性仍未有报道，其主要原因在于，目前全球范围内的免疫治疗临床基因组检测主要采用全外显子组测序技术，其数据无法直接用于ecDNA的识别。因此，需要研发适用于全外显子组数据鉴定ecDNA的生物信息学算法。
团队首先利用机器学习的方法，基于肿瘤已知ecDNA阳性和阴性患者的WES测序数据，构建了可用鉴定患者是否携带ecDNA以及相关基因的算法GCAP。然后采用包括WGS、Circle-Seq、FISH等方法在细胞系、PDX以及组织样本进行验证，确认了算法预测的准确性。
基于机器学习的肿瘤染色体外环状DNA扩增检测方法框架GCAP
通过利用GCAP，研究团队开展了泛瘤种ecDNA扩增谱的全面分析，研究了包括TCGA、PCAWG、中国肠康队列、消化道免疫治疗队列等在内的多个肿瘤队列（超过13,000例癌症患者）中ecDNA与临床和分子特征的关联。分析结果揭示了ecDNA扩增与微卫星不稳定性（MSI）在泛癌种水平上存在着互斥的模式。
ecDNA扩增是中国结直肠癌队列的独立风险因素，并可用于基因组分子分型和优化
此外，基于中山大学肿瘤防治中心前期检测的千例中国结直肠癌基因组数据（中国肠康队列），该研究整合分析ecDNA扩增与多类常见的临床和分子特征，确定了ecDNA扩增作为结直肠癌的一个独立危险因素，并优化了现有的分型体系。
ecDNA扩增提示消化道肿瘤免疫检查点单药治疗的不良预后
值得关注的是，该研究分析了4个针对抗PD-1免疫疗法单药/双药的消化道肿瘤临床试验临床与基因组数据，首次明确了ecDNA扩增在消化道肿瘤免疫治疗中的生物标志物作用，将ecDNA扩增与免疫治疗干预的有效性联系起来。
综上，本研究提供了从癌症全外显子测序数据中识别ecDNA扩增的概念验证，强调了ecDNA扩增作为一个重要的生物标志物，对于促进个性化癌症治疗具有重要意义。
中山大学肿瘤防治中心赵齐副研究员、王峰教授以及徐瑞华教授为本文的通讯作者，中山大学肿瘤防治中心博士后王诗翔、博士研究生伍宸仪、副主任医师何明明以及硕士研究生雍嘉欣为本文的共同第一作者。
主要研究者简介
徐瑞华
医学博士，中山大学肿瘤防治中心主任、医院院长、研究所所长，华南恶性肿瘤防治全国重点实验室主任，教授，博士生导师。
中国医学科学院学部委员，中国临床肿瘤学会理事长，中国抗癌协会副理事长，中国抗癌协会靶向治疗专委会首届主任委员，中国抗癌协会化疗专委会候任主任委员，中国临床肿瘤学会肠癌专委会主任委员，《Cancer Communications》主编，研究生教材《肿瘤学》主编，本科生教材《临床肿瘤学》主编。
以通讯或第一作者在国际顶级期刊JAMA、Nature Medicine、Nature Materials、Cancer Cell、Lancet Oncology等发表SCI论文200余篇，入选科睿唯安（Clarivate Analytics）全球高被引科学家，连续入选中国高被引学者榜单。以第一完成人获国家科技进步二等奖2项、全国创新争先奖1项、省部级一等奖6项、何梁何利基金科学与技术进步奖、吴阶平医药创新奖、谈家桢临床医学奖及CSCO年度成就奖。入选国家百千万人才工程、全国先进工作者、国务院特殊津贴专家、南粤百杰人才培养工程、国家卫生计生突出贡献中青年专家等人才项目。
王峰
中山大学肿瘤防治中心院长助理、内科主任、教授、研究员、主任医师、华南恶性肿瘤防治全国重点实验室PI，博士生导师。主攻消化道肿瘤的精准化治疗和免疫治疗增效。兼任中国抗癌协会青年理事会副理事长、中国抗癌协会肿瘤靶向治疗专业委员会青委会副主委、中国临床肿瘤学会结直肠癌专委会常委等。获得中国抗癌协会青年科学家、人民好医生，国之名医、广东省五四青年奖等。以最后/共同通讯作者在 Nature Medicine，Cancer Cell， Journal of Clinical Oncology, Gut，The Lancet Gastroenterology and Hepatology 等杂志发表论文多篇。相关成果被美国 NCCN、ASCO、中国CSCO、CACA 指南等多部国内外指南采纳，成果入选中国2022年度重要医学进展。获得国家发明专利授权5项，获得国家科技进步奖二等奖（第2完成人）等省部级奖项4项。
赵齐
中山大学肿瘤防治中心副研究员，硕士生导师。肿瘤防治中心生物信息平台骨干，微生态研究平台负责人。主要从事消化道肿瘤基因组异常相关生物信息学研究工作，在肿瘤多组学生物信息学模型构建、算法平台开发、肿瘤基因组数据整合和分子标志物挖掘分析等方面积累了丰富的研究经验。近年来以第一/通讯作者在包括Cancer Cell, JAMA oncology, Nature Communications, Cell report Medicine , Nucleic Acid Research 等杂志上发表SCI论文40余篇，主持包括国自然面上、青年基金、广东省面上等共6项基金项目。作为核心骨干参与国家重点研发计划、国自然重点项目和国际合作项目各一项。独立/合作开发并发布开源生物信息学软件10余个，获颁软件著作权3项，授权专利4项。
王诗翔
中山大学肿瘤防治中心博士后。主要围绕肿瘤基因组学数据处理、生物标志物挖掘以及生物信息学算法与工具开发进行了一系列研究工作，发表SCI论文20余篇、申请发明专利5项（授权3项）、谷歌学术引用超过1000次，其主要论著发表于Nature Communications、eLife、Oncogene、J Immunother Cancer和Bioinformatics等国际权威期刊，包括ESI高被引论文2篇。主持国自然青年科学基金、博士后科学基金面上项目和中山大学肿瘤防治中心易方达优秀人才培养基金，是Briefings in Bioinformatics、Journal of Translational Medicine、STAR Protocols和Frontiers等期刊的审稿人。
文：王诗翔、赵齐
编辑：赵现廷 审核：陈鋆 审核发布：文朝阳、周昕熙
