Nature | 首次系统性揭示非癌肝组织中的体细胞突变图谱
由于生物基因组功能性区域的稀疏性、密码子编码的简并性和生物体自身表型的稳健性等因素，发生在体细胞中的基因突变在绝大多数情形下往往不具有对生物体表型产生显著影响的效应【1】。然而，发生在一些关键基因中的突变则具有起始肿瘤的强大驱动力，它们通过各种复杂机制赋予突变型细胞以进化优势（evolutionary fitness），从而使之迅速进入克隆扩张（clonal expansion）并发展成癌细胞【2】。
目前，大规模癌症组织样本基因组测序项目，如TCGA和PCAWG等，已经对多种癌症中的关键突变事件做了广泛的识别与刻画；然而，由于缺乏对相应非癌组织（包括正常组织和某些非癌疾病组织）中体细胞突变图谱的详细解析，肿瘤细胞进化过程的完整历史并未能得到完全揭示。一个具体的例子是，尽管人们已知非癌慢性肝病（chronical liver disease），包括肝硬化（cirrhosis）和脂肪肝病（fatty acid disease）等，与肝癌之间往往具有显著关联，尤其慢性病毒性肝炎（chronic viral hepatitis）是全球范围内肝癌的最常见风险因素【3】，但这些非癌疾病的发生与发展在对个体基因组积累致癌突变方面所扮演的角色却并不清楚。
在描绘非癌组织体细胞突变特征方面，多项工作均发现了正常体细胞中富集着相当部分的促癌突变。例如2015年5月发表在Science上的一项对234个暴露于阳光的人眼睑表皮标本的74个癌基因的深度测序发现，超过四分之一的正常细胞尽管仍呈现正常生理状态，但都具有皮肤癌相关的基因突变【4】。而另一项于2014年发表在NEJM上的研究则发现随年龄增长出现的克隆性造血（clonal hematopoiesis）伴随着正常血液细胞对造血系统癌症相关基因突变的富集【5】。最后，于今年六月发表在Science上的一项工作利用GTEx数据集的RNA-seq数据识别出大量存在于正常组织样本中的体细胞突变，发现组织样本的突变负荷（mutational burden）常与个体年龄显著相关，且观察到正常组织中往往富集了对应癌症类型相关的突变特征【6】。不过，上述几项研究仍然具有较大的局限性，比如因未对全基因组进行覆盖而在能识别的突变特征类型上欠缺多样性、或因仅以RNA序列为基准识别突变而显得精确性和完整性不足。
2019年10月24日，来自英国Sanger研究所的Peter J. Campbell和剑桥大学的Matthew Hoare在Nature上发表文章Somatic mutations and clonal dynamics in healthyand cirrhotic human liver，报道了首个大规模人类正常肝组织和硬化肝组织的体细胞突变图谱及其与肝细胞癌（hepatocellular carcinoma）体细胞突变模式的联合对比分析。其在样本数目、测序广度、病理状态多样性等方面较之前研究的显著提升具有突破性的意义。
在该研究中，作者收集了来自5个正常人、4个酒精性肝病（alcohol-related liver disease）患者和5个非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease）患者的482个激光捕获显微切割（laser-capture micro-dissection）肝组织样本，然后对其进行了全基因组测序，从而详细描绘这些处于不同生理状态下的肝组织的区域特异性体细胞突变模式。
首先，在全基因组的突变负荷方面，作者发现，尽管正常肝组织和慢性肝病组织均具有较高的突变负荷异质性，但后者相对于前者明显具有更高的单碱基突变数目。此外，两者间更为显著的差异体现在拷贝数变异（copy number variation）和结构变异（structural variant）上：正常肝组织中几乎不存在此类突变特征，而两种慢性肝病对应的肝组织中则出现了此类突变特征。不过，有趣的是，当作者分析这些更多存在于慢性肝病组织中的突变是否富集了肝癌相关突变时，却发现仅当将搜索范围限制在30个已知肝细胞癌相关基因时，才有两个基因通过显著性测试。并且，被认为是驱动肝癌发生的关键的TERT基因突变也未被检测到存在于正常肝或慢性肝病组织中。作者认为，这些观察可能表明肝细胞从正常状态发展至癌变状态的漫长进化历程需要积累众多的突变因子，而由于样本数目和观察尺度的局限，该项研究并未能很好地反映出慢性肝病与肝癌间的基因组突变相关性。
得益于所取肝组织样本与原始肝组织切片间具有精确的空间对应关系，作者在分析这些样本的全局体细胞突变特征之外还能够依据其突变特征构建出克隆进化路径，并将这一时间树与相应空间关联进行对比分析。结果发现，正常肝组织呈现出很强的多克隆特征，且各个克隆之间几乎不存在遗传关联，即使其在空间位置上十分接近也是如此。相反，慢性肝病组织中往往有多个克隆间存在显著的进化联系，即常常具有单克隆共同祖先（common ancestor）。另外，有趣的是，作者发现慢性肝病组织中的各个肝结节（liver nodule）间往往因为被肝纤维化带（fibrotic band）分隔而不具有遗传联系，表明这些在肝损伤和再生中出现的结缔组织于克隆发展早期即对其产生了空间隔离。
在上述发现之外，作者还分析了外部环境因素与患者特异体细胞突变特征之间的关联。例如，作者发现一名有酒精肝的患者由于常在巴尔干半岛诸国度假而具有很高的接触马兜铃酸的几率，而其肝组织中恰恰具有大量突变符合由马兜铃酸暴露导致的特征。在另一项案例中，一位以耕地为业的患者（非肝病）的正常肝组织中富集了相当程度的黄曲霉毒素B1相关体细胞突变特征，而产生这类毒素的曲霉属真菌正是农作物感染中所常见的。因此，这些结果建立起了外源刺激因素与肝组织突变特征的直接联系。
总之，这项研究利用大规模的全基因组测序较为全面地揭示了正常人肝脏组织和慢性肝病患者肝脏组织中存在的复杂体细胞突变特征，表明了肝脏疾病的确具有加大组织细胞突变压力的能力。不过，其与肝细胞癌的突变特征间建立关联的尝试却不算成功，这项研究的共同通讯作者Matthew Hoare教授在接受采访时也承认，未能从慢性肝病组织中发现较多的肝细胞癌相关基因突变的确令人不解，他说道“We knew there was a link between chronic liver disease and liver cancer, so it was unexpected to find so few cancer-causingmutations among the DNA damage in liver disease.” 因此，要厘清这一疑惑，或许更大规模和更高样本丰富性的后续研究是必要的。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1670-9
参考文献
1. McFarland,C. D., Korolev, K. S., Kryukov, G. V., Sunyaev, S. R. & Mirny, L. A. Impactof deleterious passenger mutations on cancer progression. Proc. Natl. Acad.Sci. U. S. A. 110, 2910–2915 (2013).
2. Greaves,M. & Maley, C. C. Clonal evolution in cancer. Nature (2012).doi:10.1038/nature10762
3. Bray,F. et al. Global cancer statistics 2018: GLOBOCAN estimates of incidenceand mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA. Cancer J. Clin.(2018). doi:10.3322/caac.21492
4. Martincorena,I. et al. High burden and pervasive positive selection of somaticmutations in normal human skin. Science (80-. ). 348, 880–886(2015).
5. Jaiswal,S. et al. Age-related clonal hematopoiesis associated with adverseoutcomes. N. Engl. J. Med. 371, 2488–2498 (2014).
6. Yizhak,K. et al. RNA sequence analysis reveals macroscopic somatic clonalexpansion across normal tissues. Science (80-. ). 364, 1DUMMY(2019).
