原創(chuàng) 落一 測序中國 2022-05-29 11:53 發(fā)表于北京
已有研究表明，煙草煙霧中含有至少69種致癌物，例如多環(huán)芳烴（PAHs），當(dāng)人體暴露于這些致癌物中會引起DNA損傷，使體內(nèi)關(guān)鍵基因發(fā)生永久性突變并逐漸積累，最終導(dǎo)致惡性腫瘤發(fā)生。眾所周知，吸煙有害健康，但吸煙導(dǎo)致肺癌也屬于一個概率問題，據(jù)報道70%的吸煙相關(guān)死亡發(fā)生在高齡人群中，80%~90%的終生吸煙者從未患上肺癌，只有少數(shù)煙民才會患肺癌。
為什么大多數(shù)煙民不會患肺癌？一項(xiàng)新的單細(xì)胞分析研究給出了答案。來自紐約阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的Jan Vijg教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，通過利用改進(jìn)的單細(xì)胞全基因組測序技術(shù)對不吸煙者和吸煙者的肺細(xì)胞進(jìn)行測序，定量分析了隨著年齡增長和終生暴露在煙草煙霧中的單個支氣管上皮細(xì)胞的突變負(fù)荷，以剖析這兩個關(guān)鍵致癌因素各自的影響。結(jié)果顯示，隨著年齡的增長，突變會在人們的肺部積累；相對于不吸煙者，吸煙者肺細(xì)胞中的突變頻率更高。此外，當(dāng)吸煙的劑量累積到一定量時，DNA突變率增加趨于平穩(wěn)，重度吸煙者的突變頻率與輕度吸煙者沒有顯著差異，這限制了肺部細(xì)胞的突變積累，從而降低肺癌風(fēng)險。研究成果已發(fā)表于Nature Genetics期刊上，文章題為“Single-cell analysis of somatic mutations in human bronchial epithelial cells in relation to aging and smoking”。
文章發(fā)表于Nature Genetics
在進(jìn)行單細(xì)胞基因組分析之前，研究團(tuán)隊(duì)必須首先獲得足夠的DNA，即進(jìn)行全基因組擴(kuò)增（WGA）。但WGA通常在核苷酸序列中產(chǎn)生錯誤，這可能錯誤地指示突變的存在。2017年，Jan Vijg教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)并驗(yàn)證了一種能夠準(zhǔn)確鑒定單細(xì)胞基因組中突變的新方法：單細(xì)胞多重置換擴(kuò)增（SCMDA）技術(shù)，能夠校正可能由基因擴(kuò)增引起的核苷酸序列錯誤。研究團(tuán)隊(duì)利用SCMDA技術(shù)成功對新生兒以及百歲老人的B淋巴細(xì)胞全基因組突變進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)B細(xì)胞中的突變會隨著年齡的增長而顯著增加，并且突變圖譜與B細(xì)胞淋巴癌中觀察到的特征相似。此外，通過檢測肝細(xì)胞中隨著年齡變化的突變，發(fā)現(xiàn)人類肝細(xì)胞的突變隨著年齡指數(shù)累積。在這項(xiàng)最新研究中，研究人員基于SCMDA技術(shù)對14名年齡在11~86歲不吸煙者和19名44~81歲吸煙者的正常近端支氣管基底細(xì)胞（PBBC）進(jìn)行單細(xì)胞測序。19名吸煙者中有14人被診斷出肺癌，非吸煙者中有1名患有肺癌。為了表征突變譜，研究人員分析了每個參與者3-8個單細(xì)胞核，并觀察了這些樣本中單核苷酸變異（SNV）和插入缺失（INDEL）的數(shù)量變化。圖1. 從人肺中分離、處理和分析PBBC的示意圖。來源：Nature Genetics
不吸煙者PBBC中與年齡相關(guān)的突變積累
為了研究PBBC中的突變頻率與年齡的關(guān)系，研究人員對來自不吸煙者的單個PBBC細(xì)胞核中的體細(xì)胞突變（包括SNV和INDEL）進(jìn)行了定量分析。發(fā)現(xiàn)參與者中每個細(xì)胞核的SNV中位數(shù)從約464個（11歲兒童）到約2739個（86歲老年人）不等，這意味著每個細(xì)胞每年發(fā)生28個突變。INDEL的中位數(shù)也隨著年齡的增長而增加，范圍從約59個（11歲兒童）到約304個（86歲老年人）不等，相當(dāng)于每個細(xì)胞每年約有兩個INDEL。值得注意的是，來自最年輕參與者PBBC中每個細(xì)胞核的SNV中位數(shù)與研究團(tuán)隊(duì)之前報道的B淋巴細(xì)胞或肝細(xì)胞中年輕參與者的SNV中位數(shù)相同。圖2. 不吸煙者的 SNV 和 INDEL 頻率與年齡的關(guān)系。b和c圖中每個數(shù)據(jù)點(diǎn)表示來自每個個體的每個細(xì)胞核的突變頻率。d和e圖中每個數(shù)據(jù)點(diǎn)表示來自每個個體的3-5個細(xì)胞核的突變頻率的中位數(shù)和最小和最大范圍。來源：Nature Genetics
分析發(fā)現(xiàn)，吸煙者PBBC的突變頻率與年齡的關(guān)系和不吸煙者相似，吸煙者細(xì)胞中的突變頻率也隨著年齡的增長而增加，雖然速度明顯更高，估計(jì)為每個細(xì)胞每年91個SNV，比不吸煙者多63個SNV（圖 3a）。對INDEL分析發(fā)現(xiàn)，在所有參與者中都觀察到隨著年齡的增長而顯著增加的趨勢。但與同齡不吸煙者相比，44-81歲吸煙者的INDEL頻率更高（圖3b）。 圖3. 吸煙者和非吸煙者中每個細(xì)胞核的SNV (a)和INDE (b)的中位數(shù)。來源：Nature Genetics
為了更好地了解吸煙和突變負(fù)荷之間的關(guān)系，研究人員分析了正常PBBC中的突變頻率與累積吸煙劑量之間的函數(shù)關(guān)系（圖4c）。在沒有異常參與者的情況下，突變頻率線性增加至23包/年，（自我報告的包年，定義為每天吸煙20支，持續(xù)1年），然后趨于穩(wěn)定。在包括異常參與者時，突變頻率的非線性增加與沒有異常參與者的情況基本相同，在23包/年發(fā)現(xiàn)了相同的變化點(diǎn)。研究結(jié)果表明，重度吸煙者（>60包/年）的PBBC中突變頻率不高于中度（20.1–60包/年）吸煙者的突變頻率（圖4d），這可能是由于某些個體對突變誘導(dǎo)的適應(yīng)能力增強(qiáng)，體內(nèi)具有更準(zhǔn)確或更穩(wěn)健的DNA修復(fù)或復(fù)制機(jī)制。圖4. c，所有個體的SNV頻率與吸煙包年數(shù)的關(guān)系（n = 33）；d，基于吸煙包年數(shù)的不同人群的SNV頻率，方框分別表示從不（n = 14）、輕度（n = 6）、中度（n = 6）和重度（n = 7）吸煙組的中位數(shù)和四分位數(shù)間距。來源：Nature Genetics
此外，研究人員還分析了與衰老或吸煙相關(guān)的體細(xì)胞突變特征。對吸煙者PBBC中發(fā)現(xiàn)的單堿基取代（SBS）特征進(jìn)行分析，再次證明了SBS4是吸煙者肺部腫瘤的主要特征，不吸煙者幾乎不存在SBS4（圖5a）。研究發(fā)現(xiàn)，雖然吸煙者中歸因于SBS4的突變數(shù)量顯著較高，但與年齡無關(guān)（圖5b）；SBS5基因的突變與吸煙情況顯著相關(guān)，且與實(shí)際年齡有更強(qiáng)的相關(guān)性（圖5c）。圖5. a，（左）不吸煙者和吸煙者的單個核的突變光譜和（右）堆疊條形圖顯示了不吸煙者和吸煙者測量的所有核中突變特征對SNV的比例貢獻(xiàn); b，歸因于SBS4特征的SNV中位數(shù)與個人年齡的關(guān)系; c, 歸因于SBS5特征的SNV中位數(shù)與個人年齡的關(guān)系。來源: Nature Genetics
研究人員利用一種改進(jìn)的單細(xì)胞測序技術(shù)，分析了人類肺細(xì)胞的體細(xì)胞突變與年齡和吸煙狀況的關(guān)系。對廣泛年齡范圍的吸煙者和非吸煙者進(jìn)行肺部單細(xì)胞突變分析證實(shí)，隨著年齡的增長，人類肺細(xì)胞中的突變會累積，但吸煙者PBBC中的突變水平更高，所以吸煙對于人類健康的危害不容忽視。該研究最有趣的發(fā)現(xiàn)是觀察到吸煙者的突變頻率與吸煙劑量之間的關(guān)系，突變頻率在23包/年左右保持穩(wěn)定水平，重度吸煙者的突變負(fù)荷與輕度吸煙者沒有顯著差異。重要的是，該研究結(jié)果解答了大多數(shù)人的一個疑惑，即為什么大多數(shù)吸煙者從未患過肺癌？重度吸煙者體內(nèi)可能具有某些內(nèi)在調(diào)控機(jī)制，例如通過提高DNA修復(fù)準(zhǔn)確性或通過提高煙草煙霧的解毒能力來減少DNA損傷，但需要強(qiáng)調(diào)的是并不是每個吸煙者都具有這種調(diào)控能力，能夠躲避肺癌的侵襲。1. Zhenqiu Huang; Shixiang Sun; Moonsook Lee, et al. Single-cell analysis of somatic mutations in human bronchial epithelial cells in relation to aging and smoking. Nature Genetics，2022. DOI: 10.1038/s41588-022-01035-w2.https://wiki.antpedia.com/danxibaojiyinzutubianjiancexintupo-1391711-news3.https://www.genomeweb.com/sequencing/single-cell-sequencing-study-finds-increased-single-nucleotide-mutation-rate-lungs· END ·
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