Das menschliche Genom ist nicht nur nach seiner Sequenz, sondern auch nach seiner Struktur organisiert, und Veränderungen in der Sequenz oder Struktur können zu Krebs 1,2,3,4 führen. Die Onkogen-Amplifikation ist bei etwa 40 % aller Tumore vorhanden, wo sie zur Tumorinitiation, zum Wachstum, zur Metastasierung und zur Arzneimittelresistenzbeiträgt 5. In einigen Fällen werden amplifizierte Onkogene auf extrachromosomalen DNAs (ecDNAs, auch Doppelminuten genannt) übertragen, die kreisförmige, sich selbst replizierende, doppelsträngige DNA-Elemente sind, die außerhalb der linearen Chromosomen 6,7,8,9 liegen. ecDNAs sind Hunderte von Kilobasen bis Megabasen in der Größe10,11. Aufgrund ihres Fehlens von Zentromeren segregieren sie sich während der Mitose asymmetrisch, was zu bis zu 100+ Kopien in einem einzigen Kern führt: 12,13,14,15,16,17,18. Diese ungleiche Segregation erzeugt Kopienzahlenvariabilität zwischen Tochterzellen, was eine schnelle Tumorentwicklung und schlechte Patientenergebnisse17,19 antreibt.
ecDNAs existieren in einer dynamischen Beziehung zu homogen färbenden Regionen (HSRs) (Abbildung 1A)8,18. HSRs sind fokale, intrachromosomale Amplifikationen, die durch die Reintegration von ECDNAs in einen einzigen Locus im Genom entstehen können: 8,10,18,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Diese beiden Zustände, ecDNAs und HSRs, können sich gegenseitig umwandeln, was zeigt, dass die Onkogenamplifikation strukturell plastisch ist 24,25,32,33. Diese Interkonversion ist therapeutisch relevant, da ecDNAs in Anwesenheit von Medikamenten 32,33,34,35,36,37,38 in den HSR-Zustand übergehen können. Zellen, die diesen Übergang in den HSR-Zustand durchlaufen, werden dann unter therapeutischem Druck33 resistent gegen das Medikament. HSRs scheinen auch bei bösartigen Tumoren häufiger aufzutreten als bei gutartigenTumoren 39. Trotz ihrer klinischen Relevanz zielen keine von der FDA zugelassenen Strategien auf den HSR-Zustand ab, teilweise weil Methoden zur Unterscheidung dieser Amplifikationsstrukturen weiterhin untergenutzt sind.
Obwohl ecDNA- und HSR-Zustände unterschiedliche klinische Folgen haben, können aktuelle Sequenzierungsmethoden sie nicht zuverlässig unterscheiden. Die Whole-Genome Sequencing (WGS) identifiziert nun amplifizierte Regionen mit Basenpaar-Auflösung40. WGS war wertvoll bei der Definition der Sequenzzusammensetzung von ecDNAs und HSRs, allerdings auf Kosten der räumlichen Auflösung. Im Gegensatz zu traditionellen zytogenetischen Ansätzen kann WGS allein nicht bestimmen, ob eine amplifizierte Sequenz auf ecDNAs liegt oder als HSR 41,42,43 in ein Chromosom integriert ist. Daher bleiben Methoden, die den räumlichen Kontext der Verstärkung bewahren, unerlässlich, um die Biologie dieser unterschiedlichen Zustände zu verstehen.
In den letzten 40 Jahren dienen DNA-Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungs-Metaphasen-Spreads (DNA-FISH) als Goldstandard zur Identifizierung und Unterscheidung von ecDNA- und HSR-Amplifikationszuständen 42,44,45,46. Tatsächlich wurden ecDNAs und HSRs erstmals durch metaphasenbasierte zytogenetische Analysen 7,47 identifiziert und charakterisiert. Vor dem weitverbreiteten Einsatz von fluoreszierenden Sonden wurde die Hybridisierung in situ mit radiomarkierten DNA-Sonden durchgeführt, die auch zur Visualisierung von ecDNAs und HSRs 48,49 verwendet wurden. Mit der zunehmenden Beliebtheit von WGS wurden DNA-FISH-Metaphasen-Spreads seltener. Viele Aspekte des Arbeitsablaufs sind über die zytogenetische Literatur verteilt, und optimierte Protokolle werden typischerweise innerhalb einzelner Forschungsgruppen oder zytogenetiker Labore beibehalten, die die Methode als proprietäre50,51 behandeln. Hier beschreiben wir ein DNA-FISH-Metaphasen-Spread-Protokoll, um den Amplifikationszustand auf Einzelzellebene visuell zu erkennen.