Science | 白凡/徐濤課題組合作揭示癌旁正常上皮組織存在大量突變及克隆擴(kuò)增
人體內(nèi)各種正常組織中的細(xì)胞都在不可避免的積累突變。這些體細(xì)胞突變的發(fā)生通常與細(xì)胞分裂過(guò)程中DNA的復(fù)制錯(cuò)誤沒有得到修復(fù)，或沒有得到正確的修復(fù)相關(guān)。通常情況下，這些突變不會(huì)對(duì)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(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)，從而造成體細(xì)胞突變克隆的形成和擴(kuò)張，最終導(dǎo)致疾病和衰老過(guò)程的發(fā)生。最廣為熟知的一個(gè)例子就是癌癥的發(fā)生，即體細(xì)胞在內(nèi)源或外源因素的作用下逐漸積累突變并發(fā)生克隆擴(kuò)張，最終導(dǎo)致癌癥的產(chǎn)生。因此，研究正常組織中體細(xì)胞突變積累的過(guò)程及突變克隆的擴(kuò)張及演化，對(duì)于更好地理解癌癥的早期發(fā)生發(fā)展具有重要的意義。
2020年10月2日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院白凡課題組與北京大學(xué)人民醫(yī)院泌尿外科徐濤課題組合作在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Science雜志上以Research Article（研究長(zhǎng)文）形式發(fā)表題為“Macroscopic somatic clonal expansion in morphologically normal human urothelium” 的研究論文。該工作系統(tǒng)地研究了組織形態(tài)正常的尿路上皮組織中，體細(xì)胞突變（somatic mutations）的發(fā)生與積累，以及突變克隆的擴(kuò)張和演化規(guī)律。
尿路上皮組織是膀胱和輸尿管中的一種“移行上皮組織”。尿路上皮組織的更新速率較快且在受損情況下會(huì)迅速再生[1]。在2017年的一項(xiàng)關(guān)于多病灶尿路上皮腫瘤基因組的研究工作中，白凡和徐濤課題組在其中一個(gè)病例的組織形態(tài)學(xué)正常的尿路上皮組織中檢測(cè)到了大量的體細(xì)胞突變[2]。這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)促使兩個(gè)課題組開展針對(duì)組織形態(tài)正常的尿路上皮組織中體細(xì)胞突變積累這個(gè)問(wèn)題的更加深入和全面的科學(xué)研究。
在本項(xiàng)研究中，研究人員使用激光顯微切割和全外顯子深度測(cè)序技術(shù)，對(duì)來(lái)自于120個(gè)尿路上皮腫瘤病例的126個(gè)腫瘤組織以及161個(gè)組織形態(tài)學(xué)正常的癌旁尿路上皮組織進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)外顯子數(shù)據(jù)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在部分組織形態(tài)學(xué)正常的尿路上皮組織中，已積累大量的體細(xì)胞突變。讓人意外的是，很多突變已經(jīng)發(fā)生在與腫瘤相關(guān)的驅(qū)動(dòng)基因上。然而與腫瘤相比，形態(tài)正常尿路上皮組織中的驅(qū)動(dòng)基因突變主要集中在與染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）相關(guān)的基因上（例如：KMT2D基因和KDM6A基因），而較少發(fā)生在腫瘤中高頻突變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)基因上（例如：PIK3CA基因和FGFR3基因）。這個(gè)差異反映了尿路上皮組織中早期克隆發(fā)展和最終尿路上皮癌的形成具有潛在的不同分子機(jī)制 （圖1）。
圖1，尿路上皮癌及正常尿路上皮組織的體細(xì)胞突變圖譜
接下來(lái)，研究人員通過(guò)對(duì)單堿基突變特征（single-base-substitution mutational signature）的分析解析了導(dǎo)致正常尿路上皮組織積累大量體細(xì)胞突變的潛在原因。研究人員發(fā)現(xiàn)突變特征SBS1，SBS2，SBS13，SBS5以及SBS22均一定程度導(dǎo)致了正常尿路上皮組織中突變的發(fā)生。其中，SBS22導(dǎo)致了本研究中大多數(shù)正常尿路上皮組織中突變的發(fā)生。以往研究表明，SBS22對(duì)應(yīng)的致癌因素是誘變劑馬兜鈴酸（Aristolochic acid, AA）的作用，已經(jīng)被廣泛地報(bào)道與肝癌和膀胱癌等腫瘤的發(fā)生相關(guān)[3, 4]。本項(xiàng)研究工作揭示了馬兜鈴酸的致變作用能夠?qū)е抡Ｄ蚵飞掀そM織積累大量的突變從而促使克隆的擴(kuò)張。
通過(guò)對(duì)外顯子數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘，研究人員分析了正常尿路上皮組織中基因拷貝數(shù)變異（copy number alterations）的情況 （圖2）。與體細(xì)胞突變的情況不同，拷貝數(shù)變異尤其是基因組大范圍拷貝數(shù)變異較少出現(xiàn)于形態(tài)正常尿路上皮組織中。甚至在那些已經(jīng)攜帶大量突變以及驅(qū)動(dòng)基因突變的尿路上皮組織中，拷貝數(shù)變異也很少發(fā)生。這項(xiàng)結(jié)果顯示，基因組穩(wěn)定性和拷貝數(shù)變異是正常上皮組織和腫瘤組織之間明顯的區(qū)別，僅僅突變的積累或許不足以導(dǎo)致正常上皮向惡性腫瘤的轉(zhuǎn)化。
圖2，尿路上皮癌及正常尿路上皮組織中的拷貝數(shù)變異事件
在進(jìn)一步針對(duì)突變負(fù)荷（mutational burden）和克隆擴(kuò)張的分析中，研究人員將正常尿路上皮組織分為兩組：AA導(dǎo)致突變組和其他因素導(dǎo)致突變（非AA組）。通過(guò)對(duì)比AA組和非AA組，發(fā)現(xiàn)AA組尿路上皮組織的突變負(fù)荷接近尿路上皮癌的突變負(fù)荷，且比非AA組尿路正常上皮組織的突變負(fù)荷高出一個(gè)數(shù)量級(jí)?；隗w細(xì)胞突變占比，研究人員推算了兩組正常尿路上皮組織中克隆擴(kuò)張的大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AA組中的克隆擴(kuò)張大小顯著的高于非AA組的克隆大小。上述兩方面的分析反映了AA促進(jìn)了正常尿路上皮細(xì)胞中突變的積累以及尿路上皮組織中克隆的擴(kuò)張（圖3）。
圖3，正常尿路上皮組織中突變克隆的突變負(fù)荷及克隆大小研究
最后，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建以及突變細(xì)胞比例的計(jì)算（mutant cell fractions）分析，研究人員重構(gòu)了部分病例中獲取的多個(gè)正常尿路上皮組織之間的克隆關(guān)系。結(jié)果顯示在一些病例中，多個(gè)正常尿路上皮組織的突變克隆獨(dú)立起源并獨(dú)立擴(kuò)張、演化，積累完全不同的驅(qū)動(dòng)基因突變；但在個(gè)別特殊病例中，研究人員發(fā)現(xiàn)由AA作用引起的突變克隆發(fā)生了劇烈的擴(kuò)張，克隆大小達(dá)到了驚人的平方厘米級(jí)別（圖4）。
圖4，正常尿路上皮組織中突變克隆的克隆關(guān)系及擴(kuò)張演化研究
綜上所述，本項(xiàng)研究結(jié)合激光顯微切割技術(shù)和全外顯子深度測(cè)序技術(shù)，深入系統(tǒng)的研究了癌旁組織形態(tài)學(xué)正常的尿路上皮組織中體細(xì)胞突變的積累以及突變克隆的擴(kuò)張和演化，構(gòu)建了全面的正常尿路上皮細(xì)胞突變圖譜，為進(jìn)一步理解尿路上皮癌以至其他腫瘤的早期發(fā)生提供了重要的知識(shí)。特別是，本研究中在形態(tài)正常上皮組織中觀察到的大量突變積累和克隆擴(kuò)張，將引發(fā)腫瘤細(xì)胞生物學(xué)表型與基因突變之間如何對(duì)應(yīng)的深層思考。
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(guó)劍橋Wellcome Sanger Institute）、博士研究生陳章華、博士研究生許德澍、北京大學(xué)人民醫(yī)院杜依青博士以及中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院林天歆教授為本文的并列第一作者。北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)院白凡研究員和北京大學(xué)人民醫(yī)院徐濤教授為該研究論文的共同通訊作者。該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6512/82
參考文獻(xiàn)：
1. S. C. Baker, J. Southgate, “Bladder tissue regeneration” in Electrospinning for Tissue Regeneration (Woodhead Publishing Series in Biomaterials, 2011), pp. 225-241.
2. Y. Du et al., Mutagenic factors and complex clonal relationship of multifocal urothelial cell carcinoma. European Urology 71, 841-843 (2017).\
3. A. W. T. Ng et al., Aristolochic acids and their derivatives are widely implicated in liver cancers in Taiwan and throughout Asia. Science Translational Medicine 9, eaan6446 (2017).
4. S. L. Poon et al., Mutation signatures implicate aristolochic acid in bladder cancer development. Genome Medicine 7, 38 (2015).
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