Nature | 遺傳和化療對生殖系高突變的影響

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撰文 | 言笑

人類種系突變率因個體、家庭和種群而異,並且隨著時間的推移而進化。細胞在成長過程中,基因組不斷受到內源性和外源性DNA損傷的威脅,使得細胞基因組不斷髮生變化,並最終發生一些突變的積累。每一個突變過程都會留下一個不同的基因組標記,稱為突變特徵(mutational signatures)。Mutational signature首次出現在2013年的Nature文章中Signatures of mutational processes in human cancer。目前已在多種癌症中鑑定出 100 多種體細胞突變信號,其中一半歸因於內源性誘變過程或特定誘變劑【1】。大多數種系突變可以用其中兩個signature來解釋:signature 1(SBS1),可能是由於5-甲基胞嘧啶脫氨基【2】;signature 5(SBS5),被認為是一種普遍且相對時鐘狀的內源性過程。這兩種signature在正常細胞和癌細胞中無處不在。

環境誘變劑的影響已在體細胞中得到很好的證實,但在生殖系中卻沒有得到很好的理解。父母的環境暴露(例如電離輻射)會影響傳遞給後代的突變數量【3】。個體突變率也可能受到遺傳背景的影響。關於體細胞突變,數千種遺傳的生殖系變異已被證明會增加癌症風險【4】。其中許多變異存在於編碼 DNA 修復途徑成分的基因中,當受損時,會導致體細胞突變數量增加。然而,目前尚不清楚已知體細胞突變基因中的變異是否會影響種系突變率。有一些例子表明遺傳背景會影響短串聯重複、小衛星和易位的局部種系突變率【5-6】。種系突變率的增加導致後代出生時患有顯性遺傳疾病的風險增加【7】。突變積累導致突變率差異的長期影響已被證明對小鼠繁殖和存活率有影響,並且可能對人類產生類似的影響【8】

從頭突變(de novo mutations, DNMs)是導致罕見遺傳疾病的重要原因,患有此類疾病的患者群體更有可能包括具有種系(生殖系)超突變(hypermutation)的個體【9】。2022年5月11日,來自英國Sanger研究所的Matthew Hurles團隊在Nature雜誌上線上發表了題為Genetic and chemotherapeutic influences on germline hypermutation的文章。研究人員分析了21,879個患有罕見遺傳疾病家庭的全基因組序列,識別了12個具有超突變基因組的個體,確定了三個潛在的生殖系高突變來源:DNA修復基因的父系缺陷、父系暴露於化療和合子後突變因素,並評估了種系突變率的變化程度。該研究表明,種系受到很好的保護,免受誘變效應的影響,超突變是罕見的,過量突變的數量相對較少,大多數具有超突變基因組的個體不會有遺傳疾病。

該研究中包含兩個獨立隊列:來自於「解密發育障礙」(Deciphering Developmental Disorders, DDD)研究的7,930個外顯子組測序資料,以及來自「十萬基因組計劃」( 100,000 Genome Project, 100kGP)罕見疾病分支的13,949個全基因組測序資料。作者從DDD研究中選擇了9個具有最多DNMs數量的家庭,進行了全基因組測序以表徵DNMs全基因組。在100kGP隊列中,作者對DNM進行了過濾,總共產生了903,525個從頭SNV(dnSNV)和72,110個從頭插入(dnIndels)。dnSNV中每個人的DNM中位數為62,dnIndels為5。在加入父母年齡因素後,作者確定了 12 名生殖系超突變的個體:11個來自100kGP,1個來自DDD。這些具有超突變的個體突變譜差異很大,在提取mutational signatures後,作者發現,雖然大多數突變對映到來自COSMIC 的已知體細胞signatures,但也提取了一個新signature SBSHYP(圖1)。進一步分析後,作者確定了三個潛在的生殖系高突變來源:DNA修復基因的父系缺陷,父系暴露於化療和合子後突變因素。

圖1.種系超突變個體的突變特徵

圖1.種系超突變個體的突變特徵

DNA修復基因中的父系缺陷:DNA修復缺陷會增加體細胞的突變率,並可能在生殖系中產生類似的影響。個體GEL_1的 DNM 數量是所有個體中最多的,dnIndel的數量也顯著增加。突變譜表現出C>A和T>A突變的富集,mutational signature SBS8為主要貢獻(圖1),該signature與轉錄偶聯核苷酸切除修復(nucleotide-excision repair, NER)相關,通常表現為轉錄鏈偏倚。GEL_3的dnSNV富集率約為5倍,其表現出獨特的突變譜,T>C突變增加約17倍,但其他突變沒有增加。Mutational signature顯示大多數突變對映到SBS26(圖1),這與錯配修復缺陷有關。其父親在基因MPG中有一個罕見的純合錯義變異。MPG 編碼 N-甲基嘌呤 DNA 糖基化酶,它參與鹼基損傷的識別(包括烷基化和脫氨基嘌呤)以及鹼基切除修復途徑的啟動。變體氨基酸形成底物結合口袋的一部分,可能影響底物特異性。

受孕前的化療:3個具有超突變的個體(GEL_8、GEL_9和GEL_11)具有來自signature SBS31 的貢獻(圖1),這與鉑類藥物的治療有關,鉑類藥物通過引起共價加合物來破壞 DNA。三位父親在他們的孩子基因組超突變之前都接受了癌症診斷和化療。GEL_11的父親在受孕前被診斷出患有骨肉瘤、肺癌和腸道癌,GEL_8和GEL_9的父親都有睪丸癌病史,三者都接受了順鉑治療。順鉑主要與嘌呤鹼基反應,形成鏈內交聯,可由NER修復或通過轉導合成旁路,進而誘導單鹼取代。GEL_5的父親被診斷為系統性紅斑狼瘡,受孕前也接受化療。然而,dnSNVs 沒有對映到任何已知的化療mutational signature。GEL_5有SBS24的貢獻(圖1),這與癌症血液樣本中的黃麴黴毒素暴露有關。但黃麴黴毒素通常是飲食性的,其父親的醫院記錄中沒有相關記錄。

Post-zygotic超突變:兩個具有超突變的個體 GEL_4和GEL_7的dnSNV分別增加了約4倍和2倍,這些突變最有可能發生在合子後,而不是來自父母的超突變體。兩個人都有SBS1貢獻(圖1)。GEL_4具有多種與血液相關的臨床表型,包括骨髓增生異常。可能是由於克隆性造血導致兒童血液中出現大量體細胞突變。作者並沒有在GEL_7中觀察到類似的血液相關表型,也沒有確定克隆性造血的可能遺傳驅動因素。隨後,作者還分析了具有突變體變異的母體蛋白是否可能影響最初幾次細胞分裂的突變率。在TP53中發現了一個母體錯義突變,該變異先前被註釋為Li-Fraumeni癌症易感綜合徵的致病性,但在該兒童中未觀察到。目前尚不清楚該變體是否存在於母體生殖系中,或者是否具有生殖系誘變作用。

最後,作者對種系突變率的變化程度進行了探究。首先分析了DNA修復基因中的罕見變異是否會影響100kGP隊列中的種系突變率。作者挑選出了三組罕見的非同義變體,它們影響種系突變率的可能性依次增大:(1)所有DNA修復基因的變體(n = 186);(2)DNA修復基因中最有可能產生SNVs的變體 (n = 66);(3)(2)中與癌症有關的子集。作者還分析了已知癌症突變基因MBD4中的雜合子蛋白截斷變異(protein-truncating variants, PTVs),這些變異與腫瘤中CpG>TpG突變率增加有關。通過對父系攜帶 MBD4 PTV 的 13 個 DDD家庭進行全基因組測序,發現DNM的總數或 CpG>TpG 突變的數量沒有顯著增加,CpG種系突變率增加不超過22%。

原文連結:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04712-2

製版人:十一

參考文獻

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

2. Demanelis, K. et al. Determinants of telomere length across human tissues. Science 369, eaaz6876 (2020).

3. Adewoye, A. B., et al. The genome-wide effects of ionizing radiation on mutation induction in the mammalian germline. Nat. Commun. 6, 6684 (2015).

4. Huang, K.-L. et al. Pathogenic germline variants in 10,389 adult cancers. Cell 173, 355-370 (2018).

5. Gymrek, M., et al. Interpreting short tandem repeat variations in humans using mutational constraint. Nat. Genet. 49, 1495-1501 (2017).

6. Sun, J. X. et al. A direct characterization of human mutation based on microsatellites. Nat. Genet. 44, 1161-1165 (2012).

7. Kaplanis, J. et al. Evidence for 28 genetic disorders discovered by combining healthcare and research data. Nature 586, 757-762 (2020).

8. Uchimura, A. et al. Germline mutation rates and the long-term phenotypic effects of mutation accumulation in wild-type laboratory mice and mutator mice. Genome Res. 25, 1125-1134 (2015).

9. Liu, P. et al. An organismal CNV mutator phenotype restricted to early human development. Cell 168, 830-842 (2017).

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