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不同于胚系突變（來源于精子或卵子本身的突變，因此通常身上所有細(xì)胞都會帶有這類突變），體細(xì)胞突變指的是在生長發(fā)育過程中后天獲得的突變，因此某個(gè)體細(xì)胞突變僅出現(xiàn)在某一細(xì)胞群體中[1]。

雖然突變并不一定會導(dǎo)致疾病，但許多疾病往往是由于突變導(dǎo)致的，比如精神分裂癥，科學(xué)家們通過對24248名精神分裂癥患者和97322例對照組的外顯子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了10個(gè)顯著增加患精神分裂癥風(fēng)險(xiǎn)的基因突變[2]。然而，目前并不清楚人群中體細(xì)胞突變的頻率，以及體細(xì)胞突變是否是導(dǎo)致神經(jīng)精神疾病突變的來源[3]。

近日，來自妙佑醫(yī)療國際的Alexej Abyzov教授團(tuán)隊(duì)、耶魯大學(xué)的Flora M. Vaccarino教授團(tuán)隊(duì)，以及約翰霍普金斯大學(xué)利伯腦發(fā)育研究所的Daniel R. Weinberger教授團(tuán)隊(duì)，攜手在《科學(xué)》發(fā)表重磅研究，揭示了大腦中體細(xì)胞突變的復(fù)雜原因，以及它們與神經(jīng)精神疾病的可能關(guān)系[4]。

他們通過對131例死者的大腦（44例正常對照，19例抽動穢語綜合征，9例精神分裂癥和59例自閉癥）進(jìn)行全基因組深度測序，發(fā)現(xiàn)在通常情況下，大腦存在20到60個(gè)可檢測到的單核苷酸突變。

出乎研究人員預(yù)料的是，約6%的大腦含有數(shù)百個(gè)體細(xì)胞突變——即超突變，遠(yuǎn)高于正常情況，而且這種情況主要出現(xiàn)在60歲以上的老年人大腦中。至于出現(xiàn)超突變的原因，研究人員認(rèn)為可能與衰老、阿爾茨海默病或腦癌相關(guān)[5]。

值得注意的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在自閉癥患者大腦中，存在可導(dǎo)致發(fā)育中的大腦增強(qiáng)子樣區(qū)域出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的突變，其最可能影響的為MEIS（骨髓嗜病毒整合位點(diǎn)）轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)（可促進(jìn)染色質(zhì)解壓縮，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄），提示了該突變可參與基因調(diào)控，與自閉癥之間存在潛在聯(lián)系。

據(jù)了解，這也是迄今為止第一次對人類大腦體細(xì)胞突變開展的大規(guī)模研究[5]。

論文首頁截圖

該研究使用的131例冰凍人腦組織來自于耶魯大學(xué)、利伯腦發(fā)育研究所和哈佛大學(xué)三個(gè)機(jī)構(gòu)，采樣部位為皮質(zhì)、紋狀體或海馬（大小約為1cm3），通過深度測序，研究人員發(fā)現(xiàn)在通常情況下，大腦中約有20到60個(gè)體細(xì)胞單核苷酸突變，突變的等位基因頻率從1%到10%不等。

然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，無論是在正常對照組中，還是在三種精神疾病中，均存在至少1例大腦具有異常高的體細(xì)胞突變數(shù)，即存在超突變現(xiàn)象。

大腦中存在超突變現(xiàn)象

當(dāng)排除存在超突變的大腦后，正常大腦和疾病大腦之間的體細(xì)胞突變負(fù)荷、體細(xì)胞突變的等位基因頻率或體細(xì)胞突變譜沒有顯著差異。

研究人員注意到，每個(gè)隊(duì)列中的大腦有不同的年齡分布，但非超突變大腦中的突變負(fù)擔(dān)與年齡無關(guān)，這也與早期發(fā)育起源的體細(xì)胞突變相一致。相反，超突變大腦的比例隨著年齡的增長而上升。具體地說，60歲以上人群大腦中有16%存在超突變，但在40歲以下的人中這一比例僅為2%。

超突變大腦的比例隨著年齡的增長而上升

在具有最高突變負(fù)荷的超突變大腦LIBD82（來自精神分類癥患者）中，其海馬具有非整倍體基因組，包括7號染色體的重復(fù)和10號染色體的缺失，而這是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的基因組特征[6]。因此，大腦的超突變可能反映了早期的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。

LIBD82（精神分類癥）其海馬具有非整倍體基因組

接著，研究人員探索了大腦中出現(xiàn)超突變的原因。由于在健康對照組和各種疾病組均有出現(xiàn)超突變的大腦，所以研究人員推測超突變不太可能與某種特定疾病狀態(tài)相關(guān)。為了進(jìn)一步研究這一問題，研究人員對6個(gè)超突變的大腦進(jìn)行了深入分析。

在6個(gè)超突變的大腦中，有2個(gè)（TS9和NC7），在NRAS癌基因中出現(xiàn)了已知的錯(cuò)義突變（ChR1：115,258,747 C>T），該突變此前已在多種癌癥中發(fā)現(xiàn)，并在癌癥體細(xì)胞突變目錄（COSMIC）中被認(rèn)為是致癌突變（ID：COSV54736383）。此外，3個(gè)超突變的大腦（NC7、TS9和AN05983）攜帶了11個(gè)被預(yù)測可致癌的突變，如MTOR、TET2、DNMT3A和IDH2?？傮w而言，與非超突變大腦相比，超突變大腦在癌癥相關(guān)基因上出現(xiàn)的致癌突變明顯更多。

根據(jù)以上結(jié)果，研究人員提出了猜想，超突變的出現(xiàn)可能是由攜帶一個(gè)或多個(gè)這些突變的細(xì)胞譜系經(jīng)歷了克隆擴(kuò)張，這使得其他該譜系特有的突變也上升到可檢測到的頻率。

在TS9和NC7兩個(gè)腦中，幾乎所有的突變都以約2%的等位基因頻率存在于大腦皮質(zhì)和紋狀體中，并以不同頻率存在于多個(gè)其他細(xì)胞群體中。這可能是由于血細(xì)胞滲透到大腦中，從而使血液細(xì)胞中的突變出現(xiàn)在不同的大腦區(qū)域。

為了研究這些突變是源于血細(xì)胞還是大腦中細(xì)胞的譜系擴(kuò)增，研究人員對超突變大腦中血液特異性基因表達(dá)的檢測，發(fā)現(xiàn)僅有NC7大腦的血細(xì)胞比例較高。然而，在NC7中，所有的突變都出現(xiàn)在從紋狀體分離的中間神經(jīng)元（STR-INT）中，且突變的等位基因頻率要高得多（15%到25%），這表明超突變細(xì)胞的譜系不是起源于血液，而是起源于胚胎的基底節(jié)（中間神經(jīng)元在此處產(chǎn)生），然后細(xì)胞通過遷移到達(dá)皮質(zhì)和紋狀體。

NC7中超突變出現(xiàn)在從紋狀體分離的中間神經(jīng)元，且突變的等位基因頻率要高得多（15%到25%）

在其他超突變大腦中（LIBD82、LIBD96、LIBD98和LIBD107），突變更是僅限于一個(gè)大腦區(qū)域，這也支持了大腦的超突變是由大腦中細(xì)胞譜系擴(kuò)增引起這一假說。

緊接著，研究人員分析了此次研究所發(fā)現(xiàn)的突變對基因組功能的影響。這些突變大部分（約60%）分布在基因之外的基因組其他區(qū)域，在各隊(duì)列的基因組分布也大致相同。此外，大約2%到3%的突變發(fā)生在基因組的編碼部分，另外6%的突變可能會影響調(diào)控區(qū)域。

研究人員在自閉癥和精神分裂癥患者大腦中發(fā)現(xiàn)了6個(gè)先前被認(rèn)為與神經(jīng)精神疾病相關(guān)的有害突變。例如，在UMB4231（自閉癥）中，研究人員檢測到并驗(yàn)證了存在PCDH15的錯(cuò)義突變。PCDH15是一種編碼介導(dǎo)鈣依賴細(xì)胞-細(xì)胞黏附蛋白的基因，先前被認(rèn)為與自閉癥有關(guān)[7]。此外，在AN05983（自閉癥）中，研究人員還檢測到并驗(yàn)證了存在MTOR的剪接突變，MTOR參與和自閉癥相關(guān)的IGF1-PI3K信號通路[8]。

最后，研究人員探索了在非超突變大腦中發(fā)現(xiàn)的突變，對胎兒大腦和發(fā)育中的人腦器官模型中增強(qiáng)子樣元件激活功能的影響。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照相比，自閉癥患者樣本中的體細(xì)胞突變產(chǎn)生了更多經(jīng)推測可與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的基序，其中最多的結(jié)合位點(diǎn)為MEIS1、MEIS2和MEIS3轉(zhuǎn)錄因子。這表明自閉癥患者大腦中存在的突變可能會通過調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致自閉癥表型。

自閉癥患者體細(xì)胞突變產(chǎn)生了更多經(jīng)推測可與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的基序

總的來說，本研究揭示了大腦內(nèi)體細(xì)胞突變的復(fù)雜成因及其與疾病的可能關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了大腦中存在超突變現(xiàn)象，且年齡越大出現(xiàn)超突變的概率越高。超突變可能是由于大腦的細(xì)胞局部克隆擴(kuò)增有關(guān)，然而還需進(jìn)一步探索來研究其成因和機(jī)制。

此外，該研究還首次發(fā)現(xiàn)了自閉癥患者腦內(nèi)突變可導(dǎo)致在增強(qiáng)子樣元件出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合區(qū)域，影響基因的轉(zhuǎn)錄，為自閉癥的發(fā)病原因提供了新的見解，有助于進(jìn)一步對自閉癥病因的了解。

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