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虽然突变并不一定会导致疾病，但许多疾病往往是由于突变导致的，比如精神分裂症，科学家们通过对24248名精神分裂症患者和97322例对照组的外显子进行分析，发现了10个显著增加患精神分裂症风险的基因突变[2]。然而，目前并不清楚人群中体细胞突变的频率，以及体细胞突变是否是导致神经精神疾病突变的来源[3]。 近日，来自妙佑医疗国际的Alexej Abyzov教授团队、耶鲁大学的Flora M. Vaccarino教授团队，以及约翰霍普金斯大学利伯脑发育研究所的Daniel R. Weinberger教授团队，携手在《科学》发表重磅研究，揭示了大脑中体细胞突变的复杂原因，以及它们与神经精神疾病的可能关系[4]。 他们通过对131例死者的大脑（44例正常对照，19例抽动秽语综合征，9例精神分裂症和59例自闭症）进行全基因组深度测序，发现在通常情况下，大脑存在20到60个可检测到的单核苷酸突变。 出乎研究人员预料的是，约6%的大脑含有数百个体细胞突变——即超突变，远高于正常情况，而且这种情况主要出现在60岁以上的老年人大脑中。至于出现超突变的原因，研究人员认为可能与衰老、阿尔茨海默病或脑癌相关[5]。 值得注意的是，研究人员还发现，在自闭症患者大脑中，存在可导致发育中的大脑增强子样区域出现转录因子结合位点的突变，其最可能影响的为MEIS（骨髓嗜病毒整合位点）转录因子结合位点（可促进染色质解压缩，促进转录），提示了该突变可参与基因调控，与自闭症之间存在潜在联系。 据了解，这也是迄今为止第一次对人类大脑体细胞突变开展的大规模研究[5]。
论文首页截图 该研究使用的131例冰冻人脑组织来自于耶鲁大学、利伯脑发育研究所和哈佛大学三个机构，采样部位为皮质、纹状体或海马（大小约为1cm³），通过深度测序，研究人员发现在通常情况下，大脑中约有20到60个体细胞单核苷酸突变，突变的等位基因频率从1%到10%不等。 然而，研究人员发现，无论是在正常对照组中，还是在三种精神疾病中，均存在至少1例大脑具有异常高的体细胞突变数，即存在超突变现象。
大脑中存在超突变现象 当排除存在超突变的大脑后，正常大脑和疾病大脑之间的体细胞突变负荷、体细胞突变的等位基因频率或体细胞突变谱没有显著差异。 研究人员注意到，每个队列中的大脑有不同的年龄分布，但非超突变大脑中的突变负担与年龄无关，这也与早期发育起源的体细胞突变相一致。相反，超突变大脑的比例随着年龄的增长而上升。具体地说，60岁以上人群大脑中有16%存在超突变，但在40岁以下的人中这一比例仅为2%。
超突变大脑的比例随着年龄的增长而上升 在具有最高突变负荷的超突变大脑LIBD82（来自精神分类症患者）中，其海马具有非整倍体基因组，包括7号染色体的重复和10号染色体的缺失，而这是胶质母细胞瘤的基因组特征[6]。因此，大脑的超突变可能反映了早期的胶质母细胞瘤。
LIBD82（精神分类症）其海马具有非整倍体基因组 接着，研究人员探索了大脑中出现超突变的原因。由于在健康对照组和各种疾病组均有出现超突变的大脑，所以研究人员推测超突变不太可能与某种特定疾病状态相关。为了进一步研究这一问题，研究人员对6个超突变的大脑进行了深入分析。 在6个超突变的大脑中，有2个（TS9和NC7），在NRAS癌基因中出现了已知的错义突变（ChR1：115,258,747 C>T），该突变此前已在多种癌症中发现，并在癌症体细胞突变目录（COSMIC）中被认为是致癌突变（ID：COSV54736383）。此外，3个超突变的大脑（NC7、TS9和AN05983）携带了11个被预测可致癌的突变，如MTOR、TET2、DNMT3A和IDH2。总体而言，与非超突变大脑相比，超突变大脑在癌症相关基因上出现的致癌突变明显更多。 根据以上结果，研究人员提出了猜想，超突变的出现可能是由携带一个或多个这些突变的细胞谱系经历了克隆扩张，这使得其他该谱系特有的突变也上升到可检测到的频率。 在TS9和NC7两个脑中，几乎所有的突变都以约2%的等位基因频率存在于大脑皮质和纹状体中，并以不同频率存在于多个其他细胞群体中。这可能是由于血细胞渗透到大脑中，从而使血液细胞中的突变出现在不同的大脑区域。 为了研究这些突变是源于血细胞还是大脑中细胞的谱系扩增，研究人员对超突变大脑中血液特异性基因表达的检测，发现仅有NC7大脑的血细胞比例较高。然而，在NC7中，所有的突变都出现在从纹状体分离的中间神经元（STR-INT）中，且突变的等位基因频率要高得多（15%到25%），这表明超突变细胞的谱系不是起源于血液，而是起源于胚胎的基底节（中间神经元在此处产生），然后细胞通过迁移到达皮质和纹状体。
NC7中超突变出现在从纹状体分离的中间神经元，且突变的等位基因频率要高得多（15%到25%） 在其他超突变大脑中（LIBD82、LIBD96、LIBD98和LIBD107），突变更是仅限于一个大脑区域，这也支持了大脑的超突变是由大脑中细胞谱系扩增引起这一假说。 紧接着，研究人员分析了此次研究所发现的突变对基因组功能的影响。这些突变大部分（约60%）分布在基因之外的基因组其他区域，在各队列的基因组分布也大致相同。此外，大约2%到3%的突变发生在基因组的编码部分，另外6%的突变可能会影响调控区域。 研究人员在自闭症和精神分裂症患者大脑中发现了6个先前被认为与神经精神疾病相关的有害突变。例如，在UMB4231（自闭症）中，研究人员检测到并验证了存在PCDH15的错义突变。PCDH15是一种编码介导钙依赖细胞-细胞黏附蛋白的基因，先前被认为与自闭症有关[7]。此外，在AN05983（自闭症）中，研究人员还检测到并验证了存在MTOR的剪接突变，MTOR参与和自闭症相关的IGF1-PI3K信号通路[8]。 最后，研究人员探索了在非超突变大脑中发现的突变，对胎儿大脑和发育中的人脑器官模型中增强子样元件激活功能的影响。分析结果发现，与对照相比，自闭症患者样本中的体细胞突变产生了更多经推测可与转录因子结合的基序，其中最多的结合位点为MEIS1、MEIS2和MEIS3转录因子。这表明自闭症患者大脑中存在的突变可能会通过调控基因转录，从而导致自闭症表型。
自闭症患者体细胞突变产生了更多经推测可与转录因子结合的基序 总的来说，本研究揭示了大脑内体细胞突变的复杂成因及其与疾病的可能关系，并发现了大脑中存在超突变现象，且年龄越大出现超突变的概率越高。超突变可能是由于大脑的细胞局部克隆扩增有关，然而还需进一步探索来研究其成因和机制。  此外，该研究还首次发现了自闭症患者脑内突变可导致在增强子样元件出现转录因子结合区域，影响基因的转录，为自闭症的发病原因提供了新的见解，有助于进一步对自闭症病因的了解。
参考文献 1.Fasching L, Jang Y, Tomasi S, Schreiner J, Tomasini L, Brady MV, Bae T, Sarangi V, Vasmatzis N, Wang Y et al: Early developmental asymmetries in cell lineage trees in living individuals. Science 2021, 371(6535):1245-1248. 2.Singh T, Poterba T, Curtis D, Akil H, Al Eissa M, Barchas JD, Bass N, Bigdeli TB, Breen G, Bromet EJ et al: Rare coding variants in ten genes confer substantial risk for schizophrenia. Nature 2022, 604(7906):509-516. 3.McConnell MJ, Moran JV, Abyzov A, Akbarian S, Bae T, Cortes-Ciriano I, Erwin JA, Fasching L, Flasch DA, Freed D et al: Intersection of diverse neuronal genomes and neuropsychiatric disease: The Brain Somatic Mosaicism Network. Science 2017, 356(6336). 4.Bae T, Fasching L, Wang Y, Shin JH, Suvakov M, Jang Y, Norton S, Dias C, Mariani J, Jourdon A et al: Analysis of somatic mutations in 131 human brains reveals aging-associated hypermutability. Science 2022, 377(6605):511-517. 5.https://news./2022/07/28/another-byproduct-aging-hypermutations-brain 6.Crespo I, Vital AL, Nieto AB, Rebelo O, Tao H, Lopes MC, Oliveira CR, French PJ, Orfao A, Tabernero MD: Detailed characterization of alterations of chromosomes 7, 9, and 10 in glioblastomas as assessed by single-nucleotide polymorphism arrays. J Mol Diagn 2011, 13(6):634-647. 7.Anney R, Klei L, Pinto D, Almeida J, Bacchelli E, Baird G, Bolshakova N, Bolte S, Bolton PF, Bourgeron T et al: Individual common variants exert weak effects on the risk for autism spectrum disorders. Hum Mol Genet 2012, 21(21):4781-4792. 8.Zhang W, Ma L, Yang M, Shao Q, Xu J, Lu Z, Zhao Z, Chen R, Chai Y, Chen JF: Cerebral organoid and mouse models reveal a RAB39b-PI3K-mTOR pathway-dependent dysregulation of cortical development leading to macrocephaly/autism phenotypes. Genes Dev 2020, 34(7-8):580-597. 责任编辑丨BioTalker |
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