近日，美國麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)Broad研究所等機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)合作在Nature上發(fā)表了題為“Cancer aneuploidies are shaped primarily by effects on tumour fitness”的文章。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為BISCUT（Breakpoint identification of significant cancer undiscovered targets）的算法，通過研究端?；蛑z粒邊界拷貝數(shù)事件的長度分布以確定受適應(yīng)度優(yōu)勢或劣勢影響的基因位點(diǎn)。研究人員將BISCUT應(yīng)用于癌癥基因組圖譜（TCGA）中的超10,000例腫瘤，系統(tǒng)地量化了選擇和機(jī)械偏差在驅(qū)動(dòng)非整倍體方面的作用，對(duì)癌癥內(nèi)和癌癥間染色體臂非整倍體模式的影響，并發(fā)現(xiàn)arm-SCNA的速率與其對(duì)細(xì)胞適應(yīng)度的影響高度相關(guān)。

主要研究內(nèi)容

從端粒延伸到著絲粒的SCNA是癌癥中最常見的體細(xì)胞遺傳改變。其中，arm-SCNA包含了較多的癌癥基因組，遠(yuǎn)高于其他任何類型的體細(xì)胞遺傳改變。雖然arm-SCNA對(duì)癌癥基因組有影響，但目前仍不清楚不同arm-SCNA頻率的主要決定因素，也不知道arm-SCNA對(duì)適應(yīng)性進(jìn)化的影響有哪些位點(diǎn)起主導(dǎo)作用。

為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)分析了從端粒或著絲粒開始的SCNA斷點(diǎn)位置（分別被稱為tel-SCNA和cent -SCNA，統(tǒng)稱partial-SCNA），首先考慮了著絲粒內(nèi)和染色體臂內(nèi)斷點(diǎn)的相對(duì)密度，以揭示對(duì)arm-SCNA產(chǎn)生有利或不利的機(jī)械傾向。結(jié)果顯示，在所有染色體臂和腫瘤類型中，與染色體臂內(nèi)相比，39%的tel-SCNA在著絲粒中結(jié)束。著絲粒內(nèi)富集斷點(diǎn)的原因可能包括著絲粒在有絲分裂中的作用，有絲分裂檢查點(diǎn)信號(hào)通路的缺陷、內(nèi)聚等。此外，著絲粒斷點(diǎn)的頻率與著絲粒的長度無關(guān)。

圖1. 不同類型SCNA的患病率和特點(diǎn)。來源：Nature

在染色體臂內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了partial-SCNA作為arm-SCNA適應(yīng)效應(yīng)的信息來源。結(jié)果顯示，partial-SCNA遵循近乎均勻的長度分布；與arm-SCNA相同，partial-SCNA也具有較低的振幅，表明其對(duì)周圍基因位點(diǎn)的影響與arm-SCNA相似。

接下來，研究團(tuán)隊(duì)將染色體臂特異性partial-SCNA長度分布與背景分布進(jìn)行比較，以檢測受選擇影響的基因組位點(diǎn)，共觀察到四種模式：未提供選擇、正向或負(fù)向的選擇、多焦點(diǎn)選擇及平衡選擇。

基于上述原理，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為“BISCUT”的算法。BISCUT首先確定partial-SCNA長度在給定條件下的分布是否與經(jīng)驗(yàn)背景分布顯著不同；如果是，BISCUT將識(shí)別出臂特異性和背景分布差異最大的基因組位點(diǎn)，并為“峰區(qū)”設(shè)定邊界，該“峰區(qū)”中將包含驅(qū)動(dòng)這種差異的基因。

研究團(tuán)隊(duì)使用BISCUT分析了來自癌癥基因組圖譜（TCGA）中33種癌癥類型的10872份腫瘤樣本，共檢測到193個(gè)顯性選擇下的基因組位點(diǎn)：90個(gè)正向選擇區(qū)，103個(gè)負(fù)向選擇區(qū)。這些峰值位點(diǎn)顯著富集了已知致癌基因和腫瘤抑制基因。此外，通過BISCUT得到的結(jié)果與dN/dS估算的適應(yīng)度也一致。綜上，BISCUT峰在癌癥驅(qū)動(dòng)因素中更為豐富，并提供了比聚焦SCNA分析更有價(jià)值的信息。

圖2. BISCUT通過分析SCNAs長度分布來識(shí)別已知和新的癌癥驅(qū)動(dòng)基因，來源：Nature

在TCGA的所有癌癥類型中，有近1/3的癌癥缺少8號(hào)染色體（8p）的一個(gè)臂。為揭示這一現(xiàn)象背后的原因，研究團(tuán)隊(duì)使用永生的肺上皮細(xì)胞，利用基因工程設(shè)計(jì)了臂水平8p的缺失，并使用BISCUT進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，最小的峰位于8p12，其包含兩個(gè)蛋白編碼基因WRN和NRG1；通過對(duì)有/無8p缺失的克隆進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)WRN的表達(dá)顯著降低。

WRN編碼一種參與DNA損傷修復(fù)的RecQ DNA解旋酶，這是微衛(wèi)星不穩(wěn)定性（MSI）癌癥中的一種合成致死性靶標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了8p缺失與WRN功能缺失的相關(guān)性。結(jié)果顯示，敲除WRN可顯著降低細(xì)胞死亡；但轉(zhuǎn)染誘導(dǎo)的外源性WRN表達(dá)則可降低細(xì)胞生長。因此，WRN的拷貝丟失可能是8p缺失細(xì)胞適應(yīng)度增強(qiáng)的部分原因。

研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)BISCUT檢測到的負(fù)向選擇峰進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這些峰通常包含不利于細(xì)胞生長的基因。

圖3. 對(duì)BISCUT鑒定的基因進(jìn)行正向和負(fù)向選擇驗(yàn)證。來源：Nature

研究團(tuán)隊(duì)通過評(píng)估峰值上斷點(diǎn)頻率的變化，來估計(jì)每個(gè)峰值位點(diǎn)產(chǎn)生的細(xì)胞適應(yīng)度的變化幅度，并使用“相對(duì)適應(yīng)度”（RF）來表示。分析結(jié)果顯示，對(duì)于單個(gè)峰，缺失對(duì)適應(yīng)度的影響大于擴(kuò)增；當(dāng)跨臂求和時(shí)，缺失和擴(kuò)增的凈RF之間沒有顯著差異。凈正向選擇最多的arm-SCNA為10p、8q和7p的擴(kuò)增和8p的缺失；凈負(fù)向選擇下的arm-SCNA為8q、3q和17q的缺失和8p的擴(kuò)增。

研究團(tuán)隊(duì)通過BISCUT對(duì)全基因組復(fù)制事件（WGD）和二倍體樣本進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，在上述兩種樣本中，BISCUT位點(diǎn)的選擇差異不大；與WGD相比，在二倍體樣本中檢測到較低的RF，反映了更大的負(fù)選擇，但未檢測到擴(kuò)增的差異。以上結(jié)果表明，在二倍體樣本中，對(duì)缺失而非擴(kuò)增的負(fù)選擇更為重要。

圖4. 量化適應(yīng)度效應(yīng)和RF。來源：Nature

結(jié) 語

綜上所述，該研究揭秘了非整倍體是否在癌癥中被積極選擇的問題，研究發(fā)現(xiàn)SCNA介導(dǎo)的對(duì)細(xì)胞適應(yīng)度的影響與癌癥中的非整倍體率高度相關(guān)，并且通常是以組織特異性的方式存在；同時(shí)在arm-SCNA上找到了負(fù)向選擇的證據(jù)。此外，該研究揭示編碼位點(diǎn)突變的正向選擇和負(fù)向選擇，在SCNA環(huán)境中均影響顯著。該研究結(jié)果有助于人們深入了解非整倍性背后的驅(qū)動(dòng)力及其對(duì)腫瘤發(fā)生的貢獻(xiàn)。

文章通訊作者Rameen Beroukhim教授表示：“在未來，單獨(dú)的研究可以深入探討B(tài)ISCUT識(shí)別的每個(gè)染色體區(qū)域背后的機(jī)制，其可能將指向新的藥物靶點(diǎn)或篩選癌癥患者以獲得最有效治療的方法?？傊?，我們的研究解決一個(gè)存在了幾個(gè)世紀(jì)的難題，而這是癌癥研究在看似無望的領(lǐng)域取得巨大飛躍的一個(gè)例子?！?/span>

Juliann Shih et al, Cancer aneuploidies are shaped primarily by effects on tumour fitness, Nature (2023).https://www./articles/s41586-023-06266-3