人體內(nèi)各種正常組織中細(xì)胞都在不可避免地積累突變。這些體細(xì)胞突變（somatic mutation）的發(fā)生通常與細(xì)胞活動中遭受的各類DNA損傷和細(xì)胞分裂過程中DNA的復(fù)制錯(cuò)誤沒有得到（正確的）修復(fù)相關(guān)。通常情況下，這些突變不會對體細(xì)胞的表型和功能造成明顯影響，然而如果部分突變發(fā)生在一些與細(xì)胞增殖和死亡相關(guān)的重要基因上時(shí)，攜帶突變的體細(xì)胞很可能因此獲得生長和競爭優(yōu)勢，造成體細(xì)胞突變克隆的形成及擴(kuò)張，最終導(dǎo)致疾病和衰老的發(fā)生。

最廣為熟知的體細(xì)胞突變造成的疾病就是癌癥。因此，研究正常組織中體細(xì)胞突變積累的過程及突變克隆的擴(kuò)張及演化，對于更好理解癌癥的早期發(fā)生過程具有重要意義。

2021年8月25日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）白凡課題組、黃巖誼課題組、清華大學(xué)生命學(xué)院王建斌課題組和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院林東昕、吳晨課題組合作在學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表題為A body map of somatic mutagenesis in morphologically normal human tissues的研究論文。該工作首次探索性地研究了來源于同一正常個(gè)體多個(gè)器官的正常組織中體細(xì)胞突變的圖譜，揭示了相同種系背景及生活史下人體正常組織中體細(xì)胞突變積累及克隆演化規(guī)律，為理解癌癥發(fā)生發(fā)展及細(xì)胞衰老等相關(guān)過程的機(jī)制奠定重要基礎(chǔ)。

不同于腫瘤組織中癌細(xì)胞通常來源于單一克隆（monoclonal）擴(kuò)張的情況，正常組織中的體細(xì)胞通常獨(dú)立積累基因突變、以多克?。╬olyclonal）平行演化的形式發(fā)展，因此同一個(gè)基因突變的積累往往只出現(xiàn)于少量細(xì)胞中，使得傳統(tǒng)基于大量細(xì)胞的基因組測序技術(shù)難以檢測到正常組織中的這些體細(xì)胞突變。

研究團(tuán)隊(duì)首先實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，發(fā)展了低起始量（600細(xì)胞）的深度全基因組/外顯子組測序技術(shù)，使得捕獲正常組織中的少量體細(xì)胞突變成為可能。其次，為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)跨器官研究不同正常組織中體細(xì)胞基因突變積累和變異克隆演化規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)針對來自同一個(gè)個(gè)體的樣本進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。

該研究從5名年齡在85歲以上的遺體捐贈者中獲取了經(jīng)組織病理學(xué)診斷為正常的支氣管、食管、賁門、胃、十二指腸、肝、胰、結(jié)腸和直腸9種器官樣本，并采用激光顯微切割技術(shù)對每個(gè)器官的上皮組織根據(jù)空間分布進(jìn)行切片取樣和測序分析（圖1a）。研究人員首先發(fā)現(xiàn)不同正常組織器官的體細(xì)胞均存在大量的突變積累，而體細(xì)胞突變負(fù)荷（somatic mutational burden）及等位基因突變頻率（variant allele frequency）表現(xiàn)出明顯的器官差異性。

　　圖1：9種正常組織體細(xì)胞突變及拷貝數(shù)變異圖譜

通過矯正突變檢測靈敏度及考慮不同器官克隆結(jié)構(gòu)，研究人員比較了來源于同一個(gè)體的不同器官組織中的突變積累情況，發(fā)現(xiàn)正常的肝組織在9種組織器官中具有最高的體細(xì)胞突變負(fù)荷，甚至高于眾多上皮細(xì)胞組織，而胰腺實(shí)質(zhì)細(xì)胞中的突變負(fù)荷是最低的。結(jié)合GTEx項(xiàng)目中組織特異性基因表達(dá)數(shù)據(jù)，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在部分器官中體細(xì)胞突變負(fù)荷隨基因表達(dá)量的增高而降低，潛在地反映了DNA轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)過程在高表達(dá)基因中更為活躍。

然而，與體細(xì)胞突變的情況不同，基因拷貝數(shù)變異（copy number alteration）尤其是基因組大范圍拷貝數(shù)變異較少出現(xiàn)于各種正常組織中，并且拷貝數(shù)變異的發(fā)生具有一定的器官偏好性。在9種正常組織中，食管組織發(fā)生基因拷貝數(shù)變異最為頻繁，且食管組織中的拷貝數(shù)變異事件集中發(fā)生于整段的3號、5號和7號染色體上（圖1）。

接下來，研究人員通過對單堿基突變特征（single-base-substitution mutational signature）分析解析了不同正常組織積累大量體細(xì)胞突變的潛在驅(qū)動原因。利用Bayesian hierarchical Dirichlet process算法，研究人員總共分解出了出現(xiàn)于不同器官組織中的7種不同突變特征。

其中，與年齡及衰老過程相關(guān)的內(nèi)源性突變特征SBS1和SBS5廣泛地出現(xiàn)于所有的組織中，這說明與衰老相關(guān)的突變過程是造成人體正常組織積累體細(xì)胞突變的重要原因。有趣的是，SBS1與SBS5兩種突變特征在各種正常組織中對體細(xì)胞突變積累的相對貢獻(xiàn)比例存在著明顯的器官特異性。在十二指腸、結(jié)腸和直腸的正常組織中，SBS1與SBS5的比例相對較高，而在支氣管、胰腺、肝及食管組織中這個(gè)比例相對較低。這可能潛在的與不同組織中體細(xì)胞細(xì)胞增殖及更新?lián)Q代的速率相關(guān)。

此外，兩種與外源誘變因素相關(guān)的突變特征SBS4（與吸煙相關(guān)）和SBS22（與誘變劑馬兜鈴酸相關(guān)）主要出現(xiàn)于肝組織中，這揭示了外源環(huán)境因素對人體正常組織體細(xì)胞突變積累的誘導(dǎo)作用，同時(shí)反映了肝組織具有較高的受環(huán)境因素誘變的風(fēng)險(xiǎn)。通過結(jié)合樣品在顯微切割中的具體空間物理位置信息，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)即使在同一個(gè)體、同一組織中的臨近樣品之間，突變特征可以存在明顯的異質(zhì)性，由此反映了各種內(nèi)、外源致變因素在正常組織中的作用活性存在物理區(qū)域上的差異 （圖2）。

圖2：正常組織體細(xì)胞突變特征解析

通過對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘，研究人員分析了各種正常組織中積累的與癌癥相關(guān)的“驅(qū)動基因”突變，總共找到了32個(gè)發(fā)生突變的“驅(qū)動基因”，其中包括了NOTCH1、TP53、ARID1A和ERBB2等被廣泛認(rèn)知的、與腫瘤發(fā)生相關(guān)的基因。對“驅(qū)動基因”突變的深入分析揭示：

（1）NOTCH1是研究所涉及正常組織中發(fā)生突變最多的驅(qū)動基因，其突變廣泛出現(xiàn)于多種組織中；（2）TP53是正常組織中發(fā)生癌癥相關(guān)熱點(diǎn)突變（hotspot mutations）最多的基因；（3）“驅(qū)動基因”突變的積累在器官之間以及個(gè)體之間存在明顯異質(zhì)性，且具有一定的器官偏好性。例如，食管是所有9種正常組織中積累“驅(qū)動基因”突變最多的組織，而胰腺實(shí)質(zhì)是最少的組織；NOTCH1和TP53突變顯著富集在正常食管組織中，而MUC6突變集中發(fā)生在正常賁門和胃組織中；（4）部分“驅(qū)動基因”突變在正常組織中發(fā)生的頻率高于其在對應(yīng)的癌組織中的發(fā)生頻率，潛在地反映了克隆演化在正常組織中與癌組織中可能存在不同的分子機(jī)制。例如，MUC6突變在正常胃（包括賁門和胃）中出現(xiàn)的頻率顯著高于胃癌中出現(xiàn)的頻率（圖3）。

圖3：驅(qū)動基因突變在各種正常組織中的積累情況

最后，研究人員深入分析了同一個(gè)體的各個(gè)正常組織中體細(xì)胞突變克隆擴(kuò)張及演化情況。通過關(guān)聯(lián)體細(xì)胞突變負(fù)荷與突變克隆細(xì)胞比率（mutant cell fraction）的分布情況，研究人員發(fā)現(xiàn)突變克隆擴(kuò)增的程度并不必然與突變負(fù)荷相關(guān)：

（1）食管和賁門組織中突變克隆擴(kuò)張相對較大但體細(xì)胞突變負(fù)荷相對較低；（2）結(jié)腸和直腸組織中突變克隆擴(kuò)張相對較小但體細(xì)胞突變負(fù)荷相對較高；（3）部分肝組織樣品同時(shí)具有較高的體細(xì)胞突變負(fù)荷和較大的突變克隆擴(kuò)張。

進(jìn)一步，通過結(jié)合空間取樣的位置信息及突變克隆細(xì)胞比率聚類情況，研究人員構(gòu)建了亞毫米級別分辨率的突變克隆空間擴(kuò)張圖譜（圖4），發(fā)現(xiàn)在正常食管中突變克隆可能擴(kuò)張到近毫米級別，潛在與食管中廣泛積累的“驅(qū)動基因”突變以及拷貝數(shù)變異相關(guān)。而在結(jié)腸和直腸等組織中，克隆擴(kuò)張很少超過顯微切割的范圍，且突變克隆往往以獨(dú)立起源及演化的模式存在，潛在地受限于組織的物理微結(jié)構(gòu)（physical micro-structure; 例如：crypt結(jié)構(gòu)）。這些結(jié)果表明，在不同組織及器官中，體細(xì)胞突變克隆的擴(kuò)張及演化會受到多種因素的促進(jìn)或制約。

圖4：體細(xì)胞突變克隆擴(kuò)張及演化

北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）博士后李若巖（現(xiàn)工作于英國劍橋Wellcome Sanger Institute）、博士研究生狄琳、清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生李杰及中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院樊文藝博士（現(xiàn)為北京大學(xué)博士后）為本文的并列第一作者。北京大學(xué)BIOPIC白凡研究員、黃巖誼教授、清華大學(xué)生命學(xué)院王建斌研究員以及中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院吳晨教授、林東昕院士為該研究論文的共同通訊作者。感謝所有同意并參與的捐贈者及其家人對科學(xué)研究做出的貢獻(xiàn)。該研究項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金委、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新工程、北京市卓青計(jì)劃、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的支持。

參考文獻(xiàn)

A body map of somatic mutagenesis in morphologically normal human tissues.

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