吸菸越多,DNA 修復能力卻可能更強?最新研究揭示為什麼大多數吸菸者不會患肺癌

導讀

肺癌,是全球癌症相關死亡的主要原因,與吸菸密切相關。香菸煙霧中的化學致癌物,如多環芳香烴,能夠引起 DNA 損傷,並導致致癌突變。然而,前期的流行病學研究結果卻發現,70% 與吸菸有關的死亡發生在老年人中,而 80~90% 的終身吸菸者從未患肺癌。因此,從分子和遺傳機制的角度解讀人群隊列中的這些觀察結果是非常有必要的,但目前仍然缺乏全面的分子風險評估研究。

2022 年 4 月 11 日,來自阿爾伯特·愛因斯坦醫學院的 Jan Vijg 教授領導團隊在 Nature Genetics 發表了題為 Single-cell analysis of somatic mutations in human bronchial epithelial cells in relation to aging and smoking 的研究文章,他們利用單細胞多位移擴增(single-cellmultiple displacement amplification, SCMDA)的方法,對 14 名年齡在 11~86 歲的不吸菸者和 19 名 44~81 歲的吸菸者的近端支氣管基底細胞(PBBCs)進行了單細胞維度的全基因組體細胞突變譜分析

研究結果表明,隨著年齡的增長,基因突變的頻率會逐漸增加,包括單核苷酸變異(SNVs)和小片段插入和缺失(INDELs)。而在吸菸者中,這些突變的頻率則會顯著更高。這符合長期以來人們關於吸菸會通過觸發正常肺細胞中的 DNA 突變而導致肺癌的認知。

該研究的另一項發現是:在肺細胞中檢測到的細胞突變數量一開始隨著吸菸年數的延長而直線增加,但有趣的是,細胞突變的增加在暴露了 23 包年(每天吸菸的包數 x 吸菸年數)後停止了。這種突變的趨於平穩可能源於這些人擁有更熟練的修復 DNA 損傷或解毒香菸煙霧的能力。

圖片來源:Nature Genetics

為了識別體細胞突變並準確評估其在正常組織中的頻率,該團隊在 2017 年開發了一種改進的單個細胞基因組測序方法,即 SCMDA。正如 Nature Methods 雜誌所報道的那樣,相比於傳統單細胞全基因組測序方法,這種方法能夠精確定量單細胞全基因組分析中的突變,同時避免了長期的克隆擴增和額外突變的引入

圖片來源:Nature Methods

主要研究內容

研究整體設計

為了描述 PBBCs 的單細胞突變譜,該研究共納入了 33 名志願者,他們在支氣管鏡檢查過程中捐獻了 PBBCs。其中包括 14 名不吸菸者和 19 名吸菸者,在這 19 名吸菸者中,14 人被診斷出患有肺癌,而只有 1 名從不吸菸的人患有肺癌。在獲得了 PBBCs 單細胞後進行全基因組建庫和測序,隨後進行資料分析。

圖片來源:Nature Genetics

不吸菸者中與年齡相關的 PBBCs 突變積累

在對基因組覆蓋率和檢測敏感性進行了校正之後,研究人員首先評估了從不吸菸人群 PBBCs 體細胞突變(包括 SNVs 和 INDELs)的突變頻率與年齡關係。

結果發現,單細胞中 SNVs 的分析結果顯示每個細胞每年約發生 28 個突變;另外,INDELs 的中位數也被發現隨著年齡的增長而增長,每年每個細胞大約有兩個 INDELs,儘管缺乏統計學意義。

圖片來源:Nature Genetics

吸菸者 PBBCs 的突變頻率及其影響的評估

接下來,他們研究了吸菸者 PBBCs 中的突變積累隨年齡的變化並將其與不吸菸者進行比較。分析結果顯示,與不吸菸者相似,吸菸者細胞中的突變頻率同樣隨著年齡的增長而增加,並且增加速度顯著提高,每年每個細胞約發生了 91 個 SNVs 事件,比從不吸菸者多了 63 個。對於 INDELs,在所有參與者中均觀察到隨著年齡的增加趨勢,其中,44~81 歲吸菸者的 INDELs 頻率整體高於同齡的不吸菸者。

圖片來源:Nature Genetics

為了更好地了解吸菸與突變負擔之間的關係,他們分析了 PBBCs 突變頻率與累積吸菸劑量的函數關係。結果發現,突變頻率與吸菸劑量的線性增加關係到 23 包年後就不存在了。此外,分組分析結果也清楚地表明,重度吸菸者(大於 60 包年)的 PBBCs 突變頻率並不高於中度吸菸者(20.1~60 包年)

圖片來源:Nature Genetics

為了確定吸菸相關突變的潛在功能影響,他們比較了吸菸者功能性基因組的突變積累率和整體基因組的突變積累率。他們發現,與年齡和吸菸相關的突變在功能基因組中積累的速度比在非功能基因組中慢,這一結果可能可以用功能基因組更有效的 DNA 修復來解釋

圖片來源:Nature Genetics

癌症驅動基因突變的分析

雖然體細胞突變通常是隨機的,但它們可以基於對其宿主細胞的選擇性優勢而被放大,這一過程在癌症發生中已有充分的研究報道。因此,他們進一步分析了已知肺癌和泛癌驅動基因體細胞突變的資料集。在吸菸者和非吸菸者中檢測到的 10 萬個突變中,肺癌驅動基因中的 21 個突變發生在 11% 的細胞中;泛癌驅動基因的 111 個突變發生在 50% 的細胞中。然而,這些體細胞突變在肺癌或泛癌驅動基因中沒有顯著的突變富集

圖片來源:Nature Genetics

突變特徵分析

最後,他們分析了與年齡或者吸菸相關的突變特徵。吸菸者 PBBCs 的單鹼基突變(single-base substitution, SBS)特徵分析顯示了 SBS4 的存在,而 SBS4 在從不吸菸者中幾乎是不存在的。此前,SBS4 已被證實為吸菸者肺癌的主要特徵。儘管吸菸者中 SBS4 的突變數量顯著增加,但這種增加與年齡無關。

此外,SBS5 突變與吸菸狀況顯著相關,但與年齡的相關性更強。在吸菸者和不吸菸者中提取的其他 14 個特徵也都與各種分子機制有關。這些發現表明,正常組織中衰老和吸菸相關突變的分子機制與腫瘤相似。

圖片來源:Nature Genetics

結語

綜上所述,在這項研究中,他們對年齡不等的 33 名參與者,包括 14 名不吸菸者和 19 名吸菸者的 PBBCs 進行了單細胞維度的體細胞突變譜分析,總體結果表明所有參與者的 PBBCs 的突變均會隨著年齡的增長而積累。

在吸菸者中,這些突變的頻率則會顯著更高

更加有趣的是,吸菸者基因突變頻率的劑量依賴性在 23 包年左右後就趨於穩定,也就是說重度吸菸者的基因突變負擔與輕度吸菸者並沒有顯著差異。這可能是個體對突變誘導的適應性增強,比如更準確或更強勁的 DNA 修復。

本研究通訊作者 Simon D. Spivack 教授說到:「最嚴重的吸菸者並沒有最高的基因突變負擔,儘管這些人大量吸菸,但他們能夠存活這麼久,可能是因為他們成功地抑制了進一步的突變積累。這種突變的平衡可能源於這些人擁有更加精確的修復 DNA 損傷系統。

Jan Vijg 教授還提到:「我們的研究還開闢了一個新的研究方向。我們現在希望開發一種新的檢測方法,可以測量一個人的 DNA 修復能力,而這可以提供一種新的方法來評估一個人患肺癌的風險。」

友情提醒:吸菸有害健康!該研究結論並不鼓勵大家大量吸菸,不抽菸是最健康的選擇。

題圖來源:站酷海洛

參考文獻

1. Zhenqiu Huang, et al. Single-cell analysis of somatic mutations in human bronchial epithelial cells in relation to aging and smoking. Nature Genetics (2020).

2. Alexandrov, L. B. et al. The repertoire of mutational signatures in human cancer. Nature 578, 94–101 (2020).

3. Martínez-Jiménez, F. et al. A compendium of mutational cancer driver genes. Nat. Rev. Cancer 20, 555–572 (2020).

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