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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增

日期: 2020-10-02

人體內各種正常組織中的細胞都在不可避免的積累突變。這些體細胞突變的發生通常與細胞分裂過程中DNA的複製錯誤沒有得到修複,或沒有得到正確的修複相關。通常情況下,這些突變不會對體細胞的表型和功能造成明顯影響,然而如果部分突變發生在一些與細胞增殖和死亡相關的重要基因上時,攜帶突變的體細胞很可能因此獲得生長和競爭上的優勢,從而造成體細胞突變克隆的形成和擴張,最終導致疾病和衰老過程的發生。最廣為熟知的一個例子就是癌症的發生,即體細胞在內源或外源因素的作用下逐漸積累突變並發生克隆擴張,最終導致癌症的產生。因此,研究正常組織中體細胞突變積累的過程及突變克隆的擴張及演化,對於更好地理解癌症的早期發生發展具有重要的意義。

2020年10月2日,北京大學生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)、白凡課題組與北京大學人民醫院泌尿外科徐濤課題組合作在國際著名學術期刊Science雜誌上以Research Article(研究長文)形式發表題為“Macroscopic somatic clonal expansion in morphologically normal human urothelium” 的研究論文。該工作係統地研究了組織形態正常的尿路上皮組織中,體細胞突變(somatic mutations)的發生與積累,以及突變克隆的擴張和演化規律。

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迅速再生[1]。在2017年的一項關於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病例的組織形態學正常的尿路上皮組織中檢測到了大量的體細胞突變[2]。這個偶然的發現促使兩個課題組開展針對組織形態正常的尿路上皮組織中體細胞突變積累這個問題的更加深入和全麵的科學研究。

在本項研究中,研究人員使用激光顯微切割和全外顯子深度測序技術,對來自於120個尿路上皮腫瘤病例的126個腫瘤組織以及161個組織形態學正常的癌旁尿路上皮組織進行了深入的研究。通過外顯子數據分析,研究人員發現在部分組織形態學正常的尿路上皮組織中,已積累大量的體細胞突變。讓人意外的是,很多突變已經發生在與腫瘤相關的驅動基因上。然而與腫瘤相比,形態正常尿路上皮組織中的驅動基因突變主要集中在與染色質重塑(chromatin remodeling)相關的基因上(例如:KMT2D基因和KDM6A基因),而較少發生在腫瘤中高頻突變的關鍵驅動基因上(例如:PIK3CA基因和FGFR3基因)。這個差異反映了尿路上皮組織中早期克隆發展和最終尿路上皮癌的形成具有潛在的不同分子機製 (圖1)。

1,尿路上皮癌及正常尿路上皮組織的體細胞突變圖譜

接下來,研究人員通過對單堿基突變特征(single-base-substitution mutational signature)的分析解析了導致正常尿路上皮組織積累大量體細胞突變的潛在原因。研究人員發現突變特征SBS1,SBS2,SBS13,SBS5以及SBS22均一定程度導致了正常尿路上皮組織中突變的發生。其中,SBS22導致了本研究中大多數正常尿路上皮組織中突變的發生。以往研究表明,SBS22對應的致癌因素是誘變劑馬兜鈴酸(Aristolochic acid, AA)的作用,已經被廣泛地報道與肝癌和膀胱癌等腫瘤的發生相關[3, 4]。本項研究工作揭示了馬兜鈴酸的致變作用能夠導致正常尿路上皮組織積累大量的突變從而促使克隆的擴張。

通過對外顯子數據的進一步挖掘,研究人員分析了正常尿路上皮組織中基因拷貝數變異(copy number alterations)的情況 (圖2)。與體細胞突變的情況不同,拷貝數變異尤其是基因組大範圍拷貝數變異較少出現於形態正常尿路上皮組織中。甚至在那些已經攜帶大量突變以及驅動基因突變的尿路上皮組織中,拷貝數變異也很少發生。這項結果顯示,基因組穩定性和拷貝數變異是正常上皮組織和腫瘤組織之間明顯的區別,僅僅突變的積累或許不足以導致正常上皮向惡性腫瘤的轉化。

2,尿路上皮癌及正常尿路上皮組織中的拷貝數變異事件

在進一步針對突變負荷(mutational burden)和克隆擴張的分析中,研究人員將正常尿路上皮組織分為兩組:AA導致突變組和其他因素導致突變(非AA組)。通過對比AA組和非AA組,發現AA組尿路上皮組織的突變負荷接近尿路上皮癌的突變負荷,且比非AA組尿路正常上皮組織的突變負荷高出一個數量級。基於體細胞突變占比,研究人員推算了兩組正常尿路上皮組織中克隆擴張的大小,結果發現AA組中的克隆擴張大小顯著的高於非AA組的克隆大小。上述兩方麵的分析反映了AA促進了正常尿路上皮細胞中突變的積累以及尿路上皮組織中克隆的擴張(圖3)。

3,正常尿路上皮組織中突變克隆的突變負荷及克隆大小研究

最後,通過係統發生樹的構建以及突變細胞比例的計算(mutant cell fractions)分析,研究人員重構了部分病例中獲取的多個正常尿路上皮組織之間的克隆關係。結果顯示在一些病例中,多個正常尿路上皮組織的突變克隆獨立起源並獨立擴張、演化,積累完全不同的驅動基因突變;但在個別特殊病例中,研究人員發現由AA作用引起的突變克隆發生了劇烈的擴張,克隆大小達到了驚人的平方厘米級別(圖4)。

4,正常尿路上皮組織中突變克隆的克隆關係及擴張演化研究

綜上所述,本項研究結合激光顯微切割技術和全外顯子深度測序技術,深入係統的研究了癌旁組織形態學正常的尿路上皮組織中體細胞突變的積累以及突變克隆的擴張和演化,構建了全麵的正常尿路上皮細胞突變圖譜,為進一步理解尿路上皮癌以至其他腫瘤的早期發生提供了重要的知識。特別是,本研究中在形態正常上皮組織中觀察到的大量突變積累和克隆擴張,將引發腫瘤細胞生物學表型與基因突變之間如何對應的深層思考。

北京大學生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)博士後李若岩(現工作於英國劍橋Wellcome Sanger Institute)、博士研究生陳章華、博士研究生許德澍、北京大學人民醫院杜依青博士以及中山大學孫逸仙紀念醫院林天歆教授為本文的並列第一作者。北京大學生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)、生命科學院白凡研究員和北京大學人民醫院徐濤教授為該研究論文的共同通訊作者。該研究項目得到了國家重點研發計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金等的支持。

原文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/370/6512/82

參考文獻:

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).