国内团队4篇Nature论文揭示人体体细胞突变规律 
人体内各种正常组织中的细胞都在不可避免地积累突变。这些体细胞突变（somatic mutation）的发生通常与细胞活动中的各类DNA损伤和复制错误没有得到（正确的）修复相关。通常情况下，这些突变不会对体细胞的表型和功能造成明显影响，然而如果部分突变发生在一些与细胞增殖和死亡相关的关键基因上时，携带突变的体细胞很可能因此获得生长和竞争优势，进而导致形成突变克隆并扩张，最终导致疾病（比如癌症）的发生。因此，研究正常组织中体细胞突变积累的过程及突变克隆的扩张及演化过程，对更好地理解癌症的早期发生具有重要的意义。
2021年8月25日，中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院林东昕、吴晨课题组、北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）白凡课题组、黄岩谊课题组和清华大学生命学院王建斌课题组合作在Nature上发表题为 A body map of somatic mutagenesis in morphologically normal human tissues 的研究论文。
该工作首次探索性地揭示了在相同种系背景及生活史下，人体跨器官正常组织中体细胞基因突变积累和变异克隆演化的基本规律，为理解癌症发生发展及细胞衰老等相关过程的机制奠定重要基础。值得一提的是，同期Nature杂志上还分别刊登了来自Wellcome Sanger研究所和剑桥大学、韩国科学技术院（KAIST）的三篇关于体细胞突变的研究论文。四篇研究论文中有两篇是关注早期胚胎发育的体细胞突变研究，突出了早期胚胎发育过程中发生的细胞命运决定具有随机性，而且早期胚胎发育的突变率相对较高，大约每个细胞每复制一代大概产生2.4个突变。另外两篇工作同时关注的是成体组织维持过程中的体细胞突变。
正常组织中的体细胞通常以独立积累基因突变、多克隆（polyclonal）平行演化的形式发展，因此同一个基因突变的积累往往只出现于少量细胞中，传统基于大量细胞的基因组测序技术几乎难以捕捉到这些突变。研究团队针对微量核酸开发的深度全基因组/外显子组测序技术，实现了技术方面的创新性突破，使得捕获正常组织中的极少量体细胞突变成为可能。
本研究从5名年龄在85岁以上的遗体捐赠者中获取了经组织病理学诊断为正常的支气管、食管、贲门、胃、十二指肠、肝、胰、结肠和直肠等9种器官样本，并采用激光显微切割技术对每个器官的上皮组织根据空间分布进行切片取样。研究人员首先发现不同正常组织器官的体细胞均存在大量的突变积累，而体细胞突变负荷（somatic mutational burden）及等位基因突变频率（variant allele frequency）表现出明显的器官差异性，其中正常肝组织的体细胞突变负荷最高，而胰腺实质细胞中的突变负荷是最低的。结合GTEx项目（4篇Nature齐发，旨在全面破解基因调控密码）中组织特异性基因表达数据，研究人员进一步发现在部分器官中体细胞突变负荷随基因表达量的增高而降低，潜在地反映了DNA转录偶联修复过程在高表达基因中更为活跃。然而，与体细胞突变的情况不同，基因拷贝数变异（copy number alteration）尤其是基因组大范围拷贝数变异较少出现于各种正常组织中，并且拷贝数变异的发生具有一定的器官偏好性，其中食管组织发生基因拷贝数变异最为频繁，且食管组织中的拷贝数变异事件集中发生于整段的3号、5号和7号染色体上。
接下来的问题，是什么潜在原因驱动人体的正常组织可以积累大量的体细胞突变呢？研究人员共解析出人体7种不同的突变特征。其中，与年龄及衰老过程相关的内源性突变特征SBS1和SBS5广泛地出现于所有的组织中，这说明与衰老相关的突变过程是造成人体正常组织积累体细胞突变的重要原因。两种与外源诱变因素相关的突变特征SBS4（与吸烟相关）和SBS22（与诱变剂马兜铃酸相关）主要出现于肝组织中，这揭示了外源环境因素对人体正常组织体细胞突变积累的诱导作用，同时反映了肝组织具有较高的受环境因素诱变的风险。通过具体空间物理位置信息分析，研究人员进一步发现即使在同一个体、同一组织中的临近细胞之间，突变特征可以存在明显的异质性，说明各种内、外源致变因素在正常组织中的作用活性存在物理区域上的差异。
通过对数据的进一步挖掘，研究人员在各种正常组织共找到了32个与癌症相关的“驱动基因”突变，其中包括NOTCH1、TP53、ARID1A和ERBB2等被广泛认知的、与肿瘤发生相关的基因。NOTCH1是在正常组织中发生突变最多的驱动基因，且其突变广泛出现于多种组织中；TP53是正常组织中发生癌症相关热点突变（hotspot mutations）最多的基因。“驱动基因”突变在正常组织中的积累存在明显的器官之间以及个体之间的异质性，且具有一定的器官偏好性。比如食管是积累“驱动基因”突变最多的组织，而胰腺实质是最少的组织。有趣的是，部分“驱动基因”突变在正常组织中发生的频率高于其在对应的癌组织，潜在地反映了在正常组织中的克隆演化与癌组织中可能存在不同的分子机制。
最后，研究人员发现突变克隆扩增的程度与突变负荷并不完全相关，比如食管和贲门组织的突变克隆扩张相对较大但体细胞突变负荷相对较低；而结肠和直肠组织的突变克隆扩张相对较小但体细胞突变负荷相对较高。进一步，研究人员构建了亚毫米级别分辨率的突变克隆空间扩张图谱，发现正常食管中突变克隆可能扩张到近毫米级别，潜在与食管中广泛积累的“驱动基因”突变以及拷贝数变异相关。而在结肠和直肠等组织中，很少有克隆扩张超过显微切割的范围，且突变克隆往往以独立起源及演化的模式存在。这些结果表明，在不同组织及器官中，体细胞突变克隆的扩张及演化会受到多种因素的促进或制约。
北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）博士后李若岩（现工作于英国剑桥Wellcome Sanger Institute）、博士研究生狄琳、清华大学生命学院博士研究生李杰及中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院樊文艺博士（现为北京大学博士后）为本文的并列第一作者。
BIOPIC白凡研究员、黄岩谊教授、清华大学生命学院王建斌研究员以及中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院吴晨教授、林东昕院士为该研究论文的共同通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03836-1https://doi.org/10.1038/s41586-021-03790-yhttps://doi.org/10.1038/s41586-021-03822-7https://doi.org/10.1038/s41586-021-03786-8
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