遗传和化疗对生殖系高突变的影响

撰文 | 言笑

人类种系突变率因个体、家庭和种群而异，并且随着时间的推移而进化。细胞在成长过程中，基因组不断受到内源性和外源性DNA损伤的威胁，使得细胞基因组不断发生变化，并最终发生一些突变的积累。每一个突变过程都会留下一个不同的基因组标记，称为突变特征（mutational signatures）。Mutational signature首次出现在2013年的Nature文章中Signatures of mutational processes in human cancer。目前已在多种癌症中鉴定出 100 多种体细胞突变信号，其中一半归因于内源性诱变过程或特定诱变剂【1】。大多数种系突变可以用其中两个signature来解释：signature 1（SBS1），可能是由于5-甲基胞嘧啶脱氨基【2】；signature 5（SBS5），被认为是一种普遍且相对时钟状的内源性过程。这两种signature在正常细胞和癌细胞中无处不在。

环境诱变剂的影响已在体细胞中得到很好的证实，但在生殖系中却没有得到很好的理解。父母的环境暴露（例如电离辐射）会影响传递给后代的突变数量【3】。个体突变率也可能受到遗传背景的影响。关于体细胞突变，数千种遗传的生殖系变异已被证明会增加癌症风险【4】。其中许多变异存在于编码 DNA 修复途径成分的基因中，当受损时，会导致体细胞突变数量增加。然而，目前尚不清楚已知体细胞突变基因中的变异是否会影响种系突变率。有一些例子表明遗传背景会影响短串联重复、小卫星和易位的局部种系突变率【5-6】。种系突变率的增加导致后代出生时患有显性遗传疾病的风险增加【7】。突变积累导致突变率差异的长期影响已被证明对小鼠繁殖和存活率有影响，并且可能对人类产生类似的影响【8】。

从头突变（de novo mutations, DNMs）是导致罕见遗传疾病的重要原因，患有此类疾病的患者群体更有可能包括具有种系（生殖系）超突变（hypermutation）的个体【9】。2022年5月11日，来自英国Sanger研究所的Matthew Hurles团队在Nature杂志上在线发表了题为Genetic and chemotherapeutic influences on germline hypermutation的文章。研究人员分析了21,879个患有罕见遗传疾病家庭的全基因组序列，识别了12个具有超突变基因组的个体，确定了三个潜在的生殖系高突变来源：DNA修复基因的父系缺陷、父系暴露于化疗和合子后突变因素，并评估了种系突变率的变化程度。该研究表明，种系受到很好的保护，免受诱变效应的影响，超突变是罕见的，过量突变的数量相对较少，大多数具有超突变基因组的个体不会有遗传疾病。

该研究中包含两个独立队列：来自于“解密发育障碍”（Deciphering Developmental Disorders, DDD）研究的7,930个外显子组测序数据，以及来自“十万基因组计划”（ 100,000 Genome Project, 100kGP）罕见疾病分支的13,949个全基因组测序数据。作者从DDD研究中选择了9个具有最多DNMs数量的家庭，进行了全基因组测序以表征DNMs全基因组。在100kGP队列中，作者对DNM进行了过滤，总共产生了903,525个从头SNV（dnSNV）和72,110个从头插入（dnIndels）。dnSNV中每个人的DNM中位数为62，dnIndels为5。在加入父母年龄因素后，作者确定了 12 名生殖系超突变的个体：11个来自100kGP，1个来自DDD。这些具有超突变的个体突变谱差异很大，在提取mutational signatures后，作者发现，虽然大多数突变映射到来自COSMIC 的已知体细胞signatures，但也提取了一个新signature SBSHYP（图1）。进一步分析后，作者确定了三个潜在的生殖系高突变来源：DNA修复基因的父系缺陷，父系暴露于化疗和合子后突变因素。

图1.种系超突变个体的突变特征

DNA修复基因中的父系缺陷：DNA修复缺陷会增加体细胞的突变率，并可能在生殖系中产生类似的影响。个体GEL_1的 DNM 数量是所有个体中最多的，dnIndel的数量也显著增加。突变谱表现出C>A和T>A突变的富集，mutational signature SBS8为主要贡献（图1），该signature与转录偶联核苷酸切除修复（nucleotide-excision repair, NER）相关，通常表现为转录链偏倚。GEL_3的dnSNV富集率约为5倍，其表现出独特的突变谱，T>C突变增加约17倍，但其他突变没有增加。Mutational signature显示大多数突变映射到SBS26（图1），这与错配修复缺陷有关。其父亲在基因MPG中有一个罕见的纯合错义变异。MPG 编码 N-甲基嘌呤 DNA 糖基化酶，它参与碱基损伤的识别（包括烷基化和脱氨基嘌呤）以及碱基切除修复途径的启动。变体氨基酸形成底物结合口袋的一部分，可能影响底物特异性。

受孕前的化疗：3个具有超突变的个体（GEL_8、GEL_9和GEL_11）具有来自signature SBS31 的贡献（图1），这与铂类药物的治疗有关，铂类药物通过引起共价加合物来破坏 DNA。三位父亲在他们的孩子基因组超突变之前都接受了癌症诊断和化疗。GEL_11的父亲在受孕前被诊断出患有骨肉瘤、肺癌和肠道癌，GEL_8和GEL_9的父亲都有睾丸癌病史，三者都接受了顺铂治疗。顺铂主要与嘌呤碱基反应，形成链内交联，可由NER修复或通过转导合成旁路，进而诱导单碱取代。GEL_5的父亲被诊断为系统性红斑狼疮，受孕前也接受化疗。然而，dnSNVs 没有映射到任何已知的化疗mutational signature。GEL_5有SBS24的贡献（图1），这与癌症血液样本中的黄曲霉毒素暴露有关。但黄曲霉毒素通常是饮食性的，其父亲的医院记录中没有相关记录。

Post-zygotic超突变：两个具有超突变的个体 GEL_4和GEL_7的dnSNV分别增加了约4倍和2倍，这些突变最有可能发生在合子后，而不是来自父母的超突变体。两个人都有SBS1贡献（图1）。GEL_4具有多种与血液相关的临床表型，包括骨髓增生异常。可能是由于克隆性造血导致儿童血液中出现大量体细胞突变。作者并没有在GEL_7中观察到类似的血液相关表型，也没有确定克隆性造血的可能遗传驱动因素。随后，作者还分析了具有突变体变异的母体蛋白是否可能影响最初几次细胞分裂的突变率。在TP53中发现了一个母体错义突变，该变异先前被注释为Li-Fraumeni癌症易感综合征的致病性，但在该儿童中未观察到。目前尚不清楚该变体是否存在于母体生殖系中，或者是否具有生殖系诱变作用。

最后，作者对种系突变率的变化程度进行了探究。首先分析了DNA修复基因中的罕见变异是否会影响100kGP队列中的种系突变率。作者挑选出了三组罕见的非同义变体，它们影响种系突变率的可能性依次增大：（1）所有DNA修复基因的变体（n = 186）；（2）DNA修复基因中最有可能产生SNVs的变体 （n = 66）；（3）（2）中与癌症有关的子集。作者还分析了已知癌症突变基因MBD4中的杂合子蛋白截断变异（protein-truncating variants, PTVs），这些变异与肿瘤中CpG>TpG突变率增加有关。通过对父系携带 MBD4 PTV 的 13 个 DDD家庭进行全基因组测序，发现DNM的总数或 CpG>TpG 突变的数量没有显着增加，CpG种系突变率增加不超过22%。

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

制版人：十一

参考文献

1. Alexandrov, L. B. et al. The repertoire of mutational signatures in human cancer.Nature578, 94-101 (2020).

2. Demanelis, K. et al. Determinants of telomere length across human tissues.Science369, 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.Cell173, 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.Nature586, 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.Cell168, 830-842 (2017).

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。