Nature：戒烟要趁早！减少体细胞基因突变

来源：BioArt植物

撰文 | 我的闺蜜老红帽

烟草中含有超过60种致癌物，这些致癌物可以直接导致DNA损伤和突变【1,2】，这也是吸烟可以引发肺癌的原因【3-5】。之前的工作往往关注于烟草对肺癌细胞的影响【6-10】，但是，烟草对于正常的支气管体细胞的影响却知之甚少。

2020年1月30日，来自英国的Sam M. Janes和Peter J. Campbell团队在Nature杂志上发表了题为Tobacco smoking and somatic mutations in human bronchial epithelium的文章，发现吸烟可以升高肿瘤突变负荷（tumor mutational burden，简称TMB，指的是每百万碱基中被检测出的体细胞基因编码错误，碱基替换，基因插入或缺失的错误的总数），细胞-细胞异质性（cell-to-cell heterogeneity）和驱动基因（driver genes）突变。但是，值得庆幸的是，及时戒烟可以有效地减少烟草所导致的体细胞基因突变。

作者招募了16位志愿者作为研究对象，其中3位儿童，4位从未吸过烟的成年人，6位戒烟者以及3位吸烟者。通过流式细胞术的方法，收集上皮细胞标志分子EpCAM阳性的支气管上皮细胞，并分别进行体外培养扩增。最终，收集到632个支气管上皮细胞克隆。

接下来，作者通过基因组测序发现，不同的研究对象，甚至是同一研究对象的不同细胞克隆，单碱基突变（somatic substitutions）都具有明显的异质性。通过LME模型（Linear mixed-effects），作者发现，随着志愿者年龄的增长，单碱基突变水平也明显上升，上升速率为每年长一岁，每个细胞增加22个碱基突变（95%，置信区间20～25，P = 10−8）。而对于戒烟者和吸烟者来说，形势则更为严峻。戒烟者每个细胞增加2330个碱基突变（95%，置信区间1180～3480，P = 0.0002），而吸烟者则高达5300个（95%，置信区间3660～6930）。

烟草中的有毒物质（外因）和DNA损伤（内因）都可以导致细胞突变，而这些因素在基因组中都有迹可循【8】，即有独特的突变特征（mutational signature）。作者逐个病例分析，并加入已报导结果【11】，发现突变较少的细胞（每细胞10～30个）具有突变特征SBS-18，这一特征（signature）多出现于对照组中【12】。大部分具有突变特征SBS-5，这一特征与年龄线性正相关，并且，已经有报道指出，具有吸烟史的志愿者们，这一特征的含量更高（戒烟者每个细胞1140个碱基突变， 95%，置信区间590～1700；吸烟者每个细胞2200个碱基突变， 95%置信区间，1590～2810， P < 10−16）。突变特征SBS-1主要出现在儿童中，但是，如果仅关注于成年人，这一特征也与年龄线性正相关。

最后，作者试图通过计算生物学的方法，推测出是否在正常支气管上皮细胞中，也存在一类吸烟所导致的基因突变，作者将这些基因，定义为驱动基因（driver genes）。在检测的所有基因中，下述三个基因具有明显的相关性，包括NOTCH1（20 个独特的非同义变体，即unique non-synonymous variants；q = 1 × 10−5）；TP53（7个独特的非同义变体；q = 2 × 10−4）和 ARID2 （7个独特的非同义变体；q = 4 × 10−4）。如果仅仅关注肺癌细胞和鳞状组织细胞（normal squamous tissues），这些基因，包括FAT1，PTEN，CHEK2和ARID1A，也同样具有明显相关性。作者还发现，这些驱动基因突变，大部分是在具有吸烟史的志愿者中发现。具体来讲，没有儿童具有这些驱动基因突变，从未吸过烟的成年人4～14%的细胞中具有这些基因突变，而吸烟者的比例则是25%，并且，近6%的细胞甚至含有两个到三个这样的点突变。

综上所述，作者通过16位志愿者的632个支气管上皮细胞克隆研究发现，吸烟是升高支气管上皮细胞肿瘤突变负荷的元凶之一，基本上从每个细胞1000个突变急剧升高至10000个。突变因人而异，甚至同一人因细胞而异。驱动基因突变频率随着年龄增长而呈现线性正相关关系，且影响着从未吸烟者的4～14%的细胞。与此同时，吸烟者至少25%的细胞携带这些驱动基因突变，并且，近6%的细胞甚至含有两个到三个这样的点突变。因此，为了您和他人的健康着想，请勿吸烟，尽早戒烟。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1961-1

参考文献

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11. Cancer Genome Atlas Research Network. Comprehensive genomic characterization of squamous cell lung cancers. Nature 489, 519–525 (2012).

12. Kucab, J. E. et al. A compendium of mutational signatures of environmental agents. Cell 177, 821–836 (2019).