原文作者：Gerd P. Pfeifer
吸煙人群正常肺細胞中突變的發(fā)生頻率很高，且這些突變與肺癌細胞類似。令人意外的是，戒煙人群肺部大部分健康細胞的DNA幾乎是正常的。
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全世界約有11億吸煙者，每年估計有180萬人死于肺癌。吸煙引起的肺癌可能需要數(shù)十年的時間才會出現(xiàn)，吸煙人群罹患肺癌的風險是不吸煙人群的30倍1。煙草中的致癌成分會造成DNA損傷，通過已知機制引起突變，最終導(dǎo)致肺癌。但關(guān)于吸煙最初會對健康肺細胞造成何種影響，人們?nèi)灾跎?。吉田等?span>2 在《自然》雜志上發(fā)表了一項研究，對從16名個體體內(nèi)獲得的632個健康肺細胞進行了全基因組測序，并對其突變情況進行了分析總結(jié)，納入個體包括兒童、成人、不吸煙者、現(xiàn)吸煙者以及戒煙者。研究人員分析了突變的發(fā)生頻率和性質(zhì)、年齡與吸煙狀況對突變具有怎樣的影響以及這些突變與鱗狀細胞肺癌的相關(guān)性。
《自然》論文：Tobacco smoking and somatic mutations in human bronchial epithelium
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研究人員從肺組織中分離出細胞（圖1），然后進一步分離出一種名為“基底細胞”的上皮細胞（這種細胞具有自我更新的能力）。他們將單個細胞培育成細胞集落，從而能夠確定原始細胞的DNA序列。該研究的局限之一是，盡管研究人員獲得了數(shù)百個單細胞的基因組序列，但每個吸煙狀態(tài)組別中的個體數(shù)量相對較少。研究作者報告稱，單核苷酸（點）突變的數(shù)量隨著年齡的增長而增加——平均每增加1歲，每個細胞中就會多出22個點突變。
圖1 | 正常人肺細胞中的基因突變情況。吉田等人2 分析了非吸煙者、現(xiàn)吸煙者和戒煙者健康肺組織中的DNA突變情況。a，利用活檢取得的肺組織，研究人員確定了單個細胞的全基因組序列。b，不吸煙者的細胞幾乎沒有突變。相比之下，現(xiàn)吸煙者肺細胞大部分都攜帶大量的突變（灰色；顏色越深表示突變越多），且這些突變都具有典型特征。與不吸煙者相比，吸煙者中同一個體不同細胞間的突變差異更大。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)6名戒煙者中有5名肺組織中較多細胞（20-50％）僅攜帶很少量的突變，且?guī)缀鯖]有與吸煙相關(guān)的突變特征。這些細胞如何產(chǎn)生仍是一個謎——吉田等人推測它們是來自于一個迄今未知的干細胞群體。
但是，即便是已經(jīng)戒煙的人，相比非吸煙者，其單個細胞平均也增加了2330個突變，現(xiàn)吸煙者中這個數(shù)字是5300，這證明吸煙確實會導(dǎo)致突變的發(fā)生。此外，吸煙者的基因組還發(fā)生了廣泛的其他類型的突變，例如插入或缺失突變。吸煙者中同一個個體不同細胞中的突變數(shù)可能相差十倍，非吸煙者中這種細胞間差異則小得多。細胞暴露于致癌物質(zhì)時所處的細胞周期階段，可能會影響DNA復(fù)制前DNA損傷的修復(fù)情況，這或許能解釋吸煙患者細胞間突變數(shù)量差異為何如此明顯。
吉田及其同事使用先前開發(fā)的算法，對單個細胞中發(fā)生的突變進行了分析，主要關(guān)注可能發(fā)生的所有類型的序列改變（例如，DNA堿基中的腺嘌呤突變?yōu)榘奏?、鳥嘌呤或胸腺嘧啶），同時還對突變堿基對前后相鄰的堿基進行了記錄。這種分析方式可以發(fā)現(xiàn)突變的特定模式，即突變特征，我們常常用其對腫瘤細胞基因組進行表征3。
作者報告稱某些突變特征的數(shù)量隨著年齡的增長而增加，似乎不受吸煙的影響。比如5-甲基胞嘧啶（一種修飾后胞嘧啶）中的氨基丟失從而變?yōu)樾叵汆奏?，這是一個自然過程。在所有標本中，最常見的突變特征富含胞嘧啶-胸腺嘧啶和胸腺嘧啶-胞嘧啶。該特征的數(shù)量隨著年齡的增長而增加，且在有吸煙史的人中更常見。這些突變背后的發(fā)生機制，我們?nèi)圆坏枚Ｗ畛Ｒ姷呐c吸煙有關(guān)的突變特征包括鳥嘌呤-胸腺嘧啶突變，大部分吸煙相關(guān)肺癌中也富含此類突變特征4-7。
在所有腫瘤中，肺癌可以說是突變頻率最高的腫瘤之一了8。然而，目前大家公認只需存在少量促腫瘤（驅(qū)動）突變，單個細胞就可以發(fā)生惡性增殖?？紤]到吸煙者健康上皮細胞中突變負荷很高，且存在特定與吸煙相關(guān)的突變特征，吉田及其同事進一步探究了這些突變是否影響了與腫瘤生長相關(guān)的關(guān)鍵基因。
他們確實發(fā)現(xiàn)細胞在關(guān)鍵基因中發(fā)生了突變，例如TP53和NOTCH1基因，這些是鱗狀細胞癌的驅(qū)動突變。與非吸煙者相比，這些驅(qū)動突變在吸煙者的肺細胞中更為常見。部分細胞甚至攜帶多達三個驅(qū)動突變。但是，我們不知道人類肺癌發(fā)生究竟需要幾個突變（以及具體突變的組合）。他們在同一個體的多個細胞中發(fā)現(xiàn)了特異的TP53突變，表明這些突變發(fā)生得較早，或者攜帶該突變的細胞發(fā)生增殖，又或兩者皆有——就像陽光照射下健康人的皮膚細胞一樣9。
與不吸煙者相比，戒煙者罹患肺癌的風險更高，因為其細胞突變負荷較大且大多數(shù)肺細胞中存在吸煙相關(guān)的突變的特征（類似現(xiàn)吸煙者的突變特征）。盡管戒煙者罹患肺癌的風險很高，但其風險仍低于現(xiàn)吸煙者，具體的風險降低程度取決于戒煙時間的長短1。這種現(xiàn)象的原因很難解釋。然而，也許吉田團隊最令人意外的結(jié)果能為我們提供一點線索：6個戒煙者中有5個肺組織中有20％至50％的細胞突變負荷較低，這些細胞與同年齡的非吸煙者的健康肺細胞類似（圖1）。
在戒煙者肺組織中，這些接近正常的細胞的吸煙相關(guān)突變數(shù)量較少。而且，與戒煙者的高度突變的細胞相比，這些接近正常的細胞的端粒更長；端粒位于染色體的末端，其長度隨著每次細胞分裂縮短。因此，端粒長表明這些細胞沒有經(jīng)歷許多次細胞分裂。研究人員推測這些細胞可能是由原先處于休眠（靜止）狀態(tài)的干細胞分裂產(chǎn)生的。這種干細胞是新近提出的，到底是否存在于人肺中尚不清楚。
DNA損傷可在DNA復(fù)制過程中產(chǎn)生突變。因此，如果在人類肺部中存在大量未分裂的干細胞，即使暴露于致癌物質(zhì)，如果在不分裂的情況下修復(fù)DNA損傷，那么此類細胞也許可以避免引起突變。但是，由于對這些假定存在的長壽命干細胞以及人肺中不同細胞類型的壽命缺乏了解，我們很難解釋戒煙者體內(nèi)幾乎沒有突變的細胞到底發(fā)生了什么。
為何戒煙者仍然有相當一部分高度突變細胞能高度增殖，至少在體外培養(yǎng)中如此？戒煙后的許多年里，任何在增殖過程中暴露于致癌物質(zhì)的短壽命細胞都應(yīng)該消失了。于是問題來了，肺中是否存在長壽命已分化細胞，它們本身攜帶大量突變負擔；以及考慮到肺細胞的可塑性（改變細胞性質(zhì)），這些細胞是否可以恢復(fù)增殖10。未來的挑戰(zhàn)將是了解這些現(xiàn)象背后的細胞生物學機制。或許有一天，我們將開發(fā)出增加戒煙者體內(nèi)近正常肺細胞數(shù)量的方法。
吉田及其同事的研究讓我們進一步了解了煙草對人肺正常上皮細胞的影響。它揭示了戒煙如何在分子層面保護肺組織，并提出了許多值得進一步研究的有趣問題。
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原文以Smoke signals in the DNA of normal lung cells為標題發(fā)表在2020年1月29日的《自然》新聞與觀點上
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Nature|doi:10.1038/d41586-020-00165-7
