近日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院白凡課題組與北京大學(xué)人民醫(yī)院泌尿外科徐濤課題組合作在國際著名學(xué)術(shù)期刊Science雜志上以Research Article（研究長文）形式發(fā)表題為“Macroscopic somatic clonal expansion in morphologically normal human urothelium”的研究論文。該工作系統(tǒng)地研究了組織形態(tài)正常的尿路上皮組織中，體細(xì)胞突變（somatic mutations）的發(fā)生與積累，以及突變克隆的擴(kuò)張和演化規(guī)律。

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論文截圖

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尿路上皮組織是膀胱和輸尿管中的一種“移行上皮組織”。尿路上皮組織的更新速率較快且在受損情況下會迅速再生[1]。在2017年的一項關(guān)于多病灶尿路上皮腫瘤基因組的研究工作中，白凡和徐濤課題組在其中一個病例的組織形態(tài)學(xué)正常的尿路上皮組織中檢測到了大量的體細(xì)胞突變[2]。這個偶然的發(fā)現(xiàn)促使兩個課題組開展針對組織形態(tài)正常的尿路上皮組織中體細(xì)胞突變積累這個問題的更加深入和全面的科學(xué)研究。

在本項研究中，研究人員使用激光顯微切割和全外顯子深度測序技術(shù)，對來自于120個尿路上皮腫瘤病例的126個腫瘤組織以及161個組織形態(tài)學(xué)正常的癌旁尿路上皮組織進(jìn)行了深入的研究。通過外顯子數(shù)據(jù)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在部分組織形態(tài)學(xué)正常的尿路上皮組織中，已積累大量的體細(xì)胞突變。讓人意外的是，很多突變已經(jīng)發(fā)生在與腫瘤相關(guān)的驅(qū)動基因上。然而與腫瘤相比，形態(tài)正常尿路上皮組織中的驅(qū)動基因突變主要集中在與染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）相關(guān)的基因上（例如：KMT2D基因和KDM6A基因），而較少發(fā)生在腫瘤中高頻突變的關(guān)鍵驅(qū)動基因上（例如：PIK3CA基因和FGFR3基因）。這個差異反映了尿路上皮組織中早期克隆發(fā)展和最終尿路上皮癌的形成具有潛在的不同分子機(jī)制（圖1）。

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圖1. 尿路上皮癌及正常尿路上皮組織的體細(xì)胞突變圖譜

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接下來，研究人員通過對單堿基突變特征（single-base-substitution mutational signature）的分析解析了導(dǎo)致正常尿路上皮組織積累大量體細(xì)胞突變的潛在原因。研究人員發(fā)現(xiàn)突變特征SBS1，SBS2，SBS13，SBS5以及SBS22均一定程度導(dǎo)致了正常尿路上皮組織中突變的發(fā)生。其中，SBS22導(dǎo)致了本研究中大多數(shù)正常尿路上皮組織中突變的發(fā)生。以往研究表明，SBS22對應(yīng)的致癌因素是誘變劑馬兜鈴酸（Aristolochic acid, AA）的作用，已經(jīng)被廣泛地報道與肝癌和膀胱癌等腫瘤的發(fā)生相關(guān)[3, 4]。本項研究工作揭示了AA的致變作用能夠?qū)е抡Ｄ蚵飞掀そM織積累大量的突變從而促使克隆的擴(kuò)張。

通過對外顯子數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘，研究人員分析了正常尿路上皮組織中基因拷貝數(shù)變異（copy number alterations）的情況（圖2）。與體細(xì)胞突變的情況不同，拷貝數(shù)變異尤其是基因組大范圍拷貝數(shù)變異較少出現(xiàn)于形態(tài)正常尿路上皮組織中。甚至在那些已經(jīng)攜帶大量突變以及驅(qū)動基因突變的尿路上皮組織中，拷貝數(shù)變異也很少發(fā)生。這項結(jié)果顯示，基因組穩(wěn)定性和拷貝數(shù)變異是正常上皮組織和腫瘤組織之間明顯的區(qū)別，僅僅突變的積累或許不足以導(dǎo)致正常上皮向惡性腫瘤的轉(zhuǎn)化。

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圖2. 尿路上皮癌及正常尿路上皮組織中的拷貝數(shù)變異事件

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在進(jìn)一步針對突變負(fù)荷（mutational burden）和克隆擴(kuò)張的分析中，研究人員將正常尿路上皮組織分為兩組：AA導(dǎo)致突變組和其他因素導(dǎo)致突變（非AA組）。通過對比AA組和非AA組，發(fā)現(xiàn)AA組尿路上皮組織的突變負(fù)荷接近尿路上皮癌的突變負(fù)荷，且比非AA組尿路正常上皮組織的突變負(fù)荷高出一個數(shù)量級?；隗w細(xì)胞突變占比，研究人員推算了兩組正常尿路上皮組織中克隆擴(kuò)張的大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AA組中的克隆擴(kuò)張大小顯著的高于非AA組的克隆大小。上述兩方面的分析反映了AA促進(jìn)了正常尿路上皮細(xì)胞中突變的積累以及尿路上皮組織中克隆的擴(kuò)張（圖3）。

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圖3. 正常尿路上皮組織中突變克隆的突變負(fù)荷及克隆大小研究

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最后，通過系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建以及突變細(xì)胞比例的計算（mutant cell fractions）分析，研究人員重構(gòu)了部分病例中獲取的多個正常尿路上皮組織之間的克隆關(guān)系。結(jié)果顯示在一些病例中，多個正常尿路上皮組織的突變克隆獨(dú)立起源并獨(dú)立擴(kuò)張、演化，積累完全不同的驅(qū)動基因突變；但在個別特殊病例中，研究人員發(fā)現(xiàn)由AA作用引起的突變克隆發(fā)生了劇烈的擴(kuò)張，克隆大小達(dá)到了驚人的平方厘米級別（圖4）。

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圖4. 正常尿路上皮組織中突變克隆的克隆關(guān)系及擴(kuò)張演化研究

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綜上所述，本項研究結(jié)合激光顯微切割技術(shù)和全外顯子深度測序技術(shù)，深入系統(tǒng)地研究了癌旁組織形態(tài)學(xué)正常的尿路上皮組織中體細(xì)胞突變的積累以及突變克隆的擴(kuò)張和演化，構(gòu)建了全面的正常尿路上皮細(xì)胞突變圖譜，為進(jìn)一步理解尿路上皮癌以至其他腫瘤的早期發(fā)生提供了重要的知識。特別是，本研究中在形態(tài)正常上皮組織中觀察到的大量突變積累和克隆擴(kuò)張，將引發(fā)腫瘤細(xì)胞生物學(xué)表型與基因突變之間如何對應(yīng)的深層思考。

北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）博士后李若巖（現(xiàn)工作于英國劍橋Wellcome Sanger Institute）、博士研究生陳章華、博士研究生許德澍、北京大學(xué)人民醫(yī)院杜依青博士以及中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院林天歆教授為本文的并列第一作者。北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院白凡研究員和北京大學(xué)人民醫(yī)院徐濤教授為該研究論文的共同通訊作者。該研究項目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金等的支持。

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參考文獻(xiàn)：

S. C. Baker, J. Southgate, “Bladder tissue regeneration” in Electrospinning for Tissue Regeneration (Woodhead Publishing Series in Biomaterials, 2011), pp. 225-241.

Y. Du et al., Mutagenic factors and complex clonal relationship of multifocal urothelial cell carcinoma. European Urology71, 841-843 (2017).

A. W. T. Ng et al., Aristolochic acids and their derivatives are widely implicated in liver cancers in Taiwan and throughout Asia. Science Translational Medicine 9, eaan6446 (2017).

S. L. Poon et al., Mutation signatures implicate aristolochic acid in bladder cancer development. Genome Medicine7, 38 (2015).

來源：生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心