Nature | LINE-1在肺腺癌进化中的新机制

撰文 |咸姐

肺癌是全球第二常见的癌症，也是癌症相关死亡的首要原因，其中肺腺癌（LUAD）是最主要的组织学亚型。深入了解肿瘤的演化过程不仅有助于揭示其进展机制，也为制定早期拦截策略和精准治疗方案提供了关键线索。然而，以往针对LUAD演化模式的研究多基于靶向或外显子组测序，难以全面捕捉复杂的结构变异和转座子元件的参与，尤其是长散在核元件-1（LINE-1，简称L1）在LUAD进化中的作用尚不明确。L1作为人类基因组中含量最丰富的可移动遗传元件，通常在体细胞中处于沉默状态，但在多种癌症中异常激活，可能通过诱导DNA双链断裂、基因组不稳定性等方式推动肿瘤异质性与进展【1,2】。此外，吸烟史、遗传背景、性别等因素如何影响LUAD的演化轨迹，仍是领域内亟待解决的重要问题。

近日，来自美国国家癌症研究所的Maria Teresa Landi团队在Nature上在线发表题为Uncovering the role of LINE-1 in the evolution of lung adenocarcinoma的文章，依托庞大的“Sherlock-Lung”研究计划，对1,024例LUAD样本进行深度全基因组测序并整合多组学数据，系统描绘了LUAD的进化图谱，解析不同种族、吸烟史及性别背景下的演化轨迹，并重点关注了L1活化、突变特征ID2的起源及其与临床预后的关联，揭示了LUAD演进的关键驱动机制，为早期筛查、预后评估和靶向治疗提供新的生物学依据。

本文研究人员首先从1,024例LUAD样本中筛选出542例具有高亚克隆分辨率的LUAD样本，对其进行了深度全基因组测序与多组学时序重建，揭示了不同吸烟状态与种族背景下关键基因组事件的发生顺序及其动态特征。研究发现，不吸烟者（尤其是东亚与欧洲裔）的肿瘤在演化早期即出现全基因组复制事件，显著早于吸烟者群体，提示其更早获得基因组不稳定的潜能；同时，吸烟者肿瘤中由烟草暴露驱动的KRAS基因突变（特别是C:G>A:T颠换）多在克隆阶段早期出现，扮演着肿瘤启动的关键角色，而不吸烟者肿瘤则主要由内源性过程相关的EGFR基因早期克隆性突变驱动。与此同时，研究人员系统解析了不同突变过程在肿瘤演化时序中的动态作用模式，发现外源性暴露相关的突变特征（如烟草相关的SBS4）主要在肿瘤演化早期发挥作用；相反，多种内源性或未知原因的突变特征则在亚克隆阶段更为活跃，包括APOBEC相关特征（SBS2与SBS13）以及未知病因的SBS17a/b特征——其中SBS17a在东亚裔不吸烟者肿瘤中完全缺失，SBS17b也极为罕见，揭示了突变过程可能受到种族或暴露背景的特异性调控。

随后，研究人员利用CpG>TpG这类像“分子时钟”一样稳定累积的突变，推算了肿瘤从最近共同祖先（MRCA）出现到被诊断的时间间隔，即“肿瘤潜伏期”。结果显示，携带EGFR突变的肿瘤具有显著更长的潜伏期，尤其在女性非吸烟者中最为明显，而KRAS突变则与较短的潜伏期相关（尤其在不吸烟者中差异达9-10年）。与此同时，研究还发现，插入缺失特征ID2与肿瘤潜伏期缩短的关联最为强烈，且ID2缺失负荷与潜伏期呈显著负相关；外源性特征SBS17a也显示出与较短潜伏期的相关性。多变量分析进一步确认ID2特征、EGFR突变状态及女性性别是影响潜伏期的独立因素，其中ID2效应最强，这揭示了突变过程与特定驱动基因共同塑造了LUAD迥异的生长速度，为理解肿瘤进展异质性提供了关键时序视角。

进一步地，研究人员对携带ID2突变特征的LUAD亚群进行了全面的“肖像刻画”。研究发现，ID2阳性LUAD在临床上极具侵略性，患者总体生存期更短，肿瘤更容易发生转移。RNA测序显示其细胞周期与增殖相关通路被强烈激活，增殖标志物高表达；基因组则处于高度不稳定状态，频繁伴随TP53突变和全基因组复制事件；肿瘤微环境呈现严重缺氧状态。更重要的是，这类型肿瘤的新抗原产生能力是所有突变特征中最弱的，且肿瘤内部杀伤性T细胞等免疫细胞浸润显著减少。这意味着ID2阳性肿瘤不仅长得快、基因组乱，还擅长“免疫逃逸”，解释了其恶性预后。那么，导致这一系列恶劣特性的核心原因是什么呢？答案是L1的异常复活。研究人员发现，在ID2阳性肿瘤中，L1插入基因组新位置的事件（即反转录转座）显著增多。深入分析发现，这些新增的L1插入大多来源于预先存在的生殖系L1元件，提示其在早期克隆扩增中可能发挥作用。统计分析进一步揭示了生殖系来源的L1插入与ID2特征之间存在强显著关联，两者在数量上高度共变。值得注意的是，ID1（碱基插入特征）与ID2（碱基缺失特征）共享相似的富A/T基序，且均与L1活性相关，暗示其背后存在共同的病因学基础——即L1 ORF2p内切酶在识别并切割类似“TTTTT”序列时，可能通过DNA损伤修复过程导致此类单位点插入缺失突变。这种L1插入与ID2缺失负荷的正相关关系在东亚裔非吸烟者、欧洲裔非吸烟者及吸烟者所有亚组中均一致成立，并在独立TCGA肺腺癌队列中得到有效验证。此外，对体外培养的癌细胞系克隆和正常结直肠上皮单细胞克隆的再分析进一步确认，即使在非肿瘤环境中，新获得的L1插入事件仍与ID1/ID2突变负担显著相关，从而在多个生物学层面证实L1反转录转座是直接贡献于ID2特征生成及其所标记的基因组不稳定的核心分子过程。

与此同时，研究人员通过全基因组甲基化分析发现，ID2阳性肿瘤存在广泛的低甲基化。为直接验证L1的调控机制，研究人员针对位于染色体22q12.1上的一个特定生殖系L1启动子区域，对80例样本进行了高精度靶向测序，结果显示，与正常肺组织相比，ID2阳性肿瘤中该启动子区域的CpG位点甲基化水平显著降低，且甲基化程度与ID2负荷呈负相关。这直接导致了L1转录本水平的升高。特别值得注意的是，即使在已戒烟的患者组织中，L1 RNA水平也较高，提示烟草暴露可能造成了持久甚至不可逆的表观遗传改变，为L1的长期活化埋下伏笔。为了进一步探究影响吸烟者和非吸烟者体内L1启动子甲基化的因素，研究人员分析了Kruppel相关盒锌指蛋白（KRAB-ZFP）——作为最大的转录因子家族，KRAB-ZFP能够以细胞类型特异性的方式沉默包括L1在内的转座子元件。结果显示，ZNF695在LUAD肿瘤组织（尤其是ID2阳性亚群）中表达上调最为显著，其表达水平与ID2缺失负荷及L1插入数量均呈强正相关，且独立于其他临床协变量。ZNF695的结合基序在ID2阳性肿瘤中低甲基化的L1启动子区域显著富集，且其表达与肿瘤（而非正常组织）中特定L1启动子（22q12.1）的甲基化水平呈负相关，提示其可能参与DNA去甲基化调控。单细胞多组学分析进一步发现，ZNF695在潜在肺癌起源细胞（如增殖性肺泡II型细胞）中高表达，且其表达与同一细胞中L1 RNA水平升高相关。尤为关键的是，在ID2阳性肿瘤中，缺乏DNA结合结构域的非经典ZNF695转录本比例异常升高，这些截短体可能通过显性负效应竞争性干扰经典ZNF695蛋白的功能，阻碍其正常招募DNA甲基转移酶至L1启动子，从而解除对L1的表观遗传沉默。

综上所述，在这项关于LUAD演化的全面研究中，研究人员通过对高克隆性样本进行深度全基因组测序和多组学分析，确定了各类基因组变化的相对时序，并检验了它们与烟草暴露、人口学因素及临床结局的关联。最终描绘了LUAD不同的演化路径，强调了ID2作为一种与L1活性相关的快速肿瘤生长标志，并提出ZNF695是L1再激活的推定调控因子，这些发现提供了具有潜在预后和治疗意义的机制性见解。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09825-y

制版人： 十一

参考文献

1. Yates, L. R. & Campbell, P. J. Evolution of the cancer genome.Nat. Rev. Genet.13, 795–806 (2012).

2. Rodriguez-Martin, B. et al. Pan-cancer analysis of whole genomes identifies driver rearrangements promoted by LINE-1 retrotransposition.Nat. Genet.52, 306–319 (2020).

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