近日，威康桑格研究所的Iñigo Martincorena和Joanna Fowler團隊時隔3年，又在《科學》雜志上發表了一篇讓世人震驚的研究。

他們從9名捐獻者的健康食管組織中獲得了出人意料的發現。在這9名志願者健康的食管組織中，他們發現了大量的癌症相關基因變異，而且這些細胞攜帶的基因突變的數量，明顯随着年齡增長而增多。

例如，20歲時平均每個細胞攜帶300個突變左右，到了七八十歲，則有超過2000個突變，而吸煙的人的突變數量遠遠則高于同齡人（簡直突變花了，見下圖）。這項研究發表在Science上[1]。科學家還做了個初步的統計，發現人到中年之後，竟然有一半以上的食管細胞有癌症相關突變。

左，38歲左右，不吸煙；中，45歲左右，重度吸煙；右，75歲左右，不吸煙

每個圓代表一個突變，圓的大小代表這個突變的頻率。

不難看出，45歲左右吸煙人的食管已經突變的跟75歲的老人有的一拼了

難怪癌症會年輕化。

我們都知道癌症是一種基因突變導緻的慢性病，絕大多數癌症的發生都需要足夠長的時間，積累出足夠多的基因突變。所以，老年人的癌症發病率遠遠高于年輕人。

進入現代工業社會之後，由于環境、生活、飲食的變化，加速了細胞的突變積累速度，所以很多癌症開始年輕化。

不過，對于正常的組織究竟如何積累基因變異，最終進化成腫瘤組織，科學家還不是很清楚。

2015年，Iñigo Martincorena等人就在眼睑的皮膚中就做過類似的研究[2]，當時他們發現每個細胞中，平均每百萬個堿基對裡，就有2~6個突變。大約有1/4的皮膚細胞攜帶了緻癌突變，而每平方厘米的皮膚裡，有數百個進化中的克隆相互競争。

眼睑的皮膚經常暴露在陽光下，經常受到紫外線的照射，不能代表全身的突變水平。那麼在沒有陽光照射的地方，體細胞中會攜帶多少突變呢？研究人員把目光轉向了食道的上皮組織。

研究人員對來自9位捐獻者的844個正常食道小樣進行了深度測序。這些捐獻者年齡從20歲到75歲不等，都沒有胃食管反流等食道慢性疾病病史，其中4人有吸煙史。每個樣品大約2平方毫米，這些樣品和樣品周圍的組織，在顯微鏡下都看不出異常。

激光共聚焦顯微鏡下的樣品周圍組織，箭頭指示被取走的樣品

在這總共大約17平方厘米的組織樣品中，研究人員總共發現了8919個突變。把位置相鄰的樣品中的相同突變合并後，還剩下6935突變被認為是獨立發生的。

通過突變的等位基因頻率，研究人員估算了不同個體中，平均每個細胞攜帶的突變數量。在20歲的捐獻者的食道中，平均每個細胞攜帶了數百個突變，而老年捐獻者中，平均每個食道上皮細胞攜帶的突變數超過了2000個。而兩個重度吸煙者都有比同齡人更高的突變頻率。

不同年齡的樣品中的基因突變數量

第4個和第7個人重度吸煙

不過相比皮膚，中年人的食道中，平均每個細胞攜帶的突變數量要少了10倍，不過其中跟腫瘤相關的突變卻比皮膚還要多。總突變少了，腫瘤相關的突變卻更多了，莫非這些腫瘤相關的突變給了食道上皮細胞有更強的競争能力，讓它們能長成更大的克隆？為了驗證這一猜想，研究人員使用非同義突變和同義突變的比例評價了這些突變的選擇作用。

在食道組織中，研究人員發現了14個有明顯陽性選擇作用的基因突變，其中有跟細胞分化、增殖、凋亡有關的Notch家族[3]，有影響DNA損傷修複的TP53[4]，有跟細胞氧化應激有關的CUL3等[5]，還有跟表觀遺傳有關的KMT2D[6]。

而且這14個陽性選擇基因中，有11個的被認為和食管鱗癌的發生有關[7]。特别是Notch1，平均每平方厘米的食道上皮中，就有大約120個不同的Notch1突變。以往認為正常的Notch1可以阻礙鱗癌的發生[8]，這次的研究中也發現Notch1的截止突變（會嚴重弱化或破壞蛋白功能）确實有利于細胞增殖搶占空間。

Notch1突變了細胞就開始瘋長，那接下來就該癌變了吧。

Notch1結構

事情沒那麼簡單。按理來說，如果一個基因的突變會緻癌，那腫瘤組織裡這個基因的突變就該比正常組織裡多。像TP53，90%以上的食道鱗癌細胞都攜帶它的突變，而在9個捐獻者的正常食道上皮中，攜帶TP53突變的細胞平均隻有10%，在年齡最大的捐獻者中也不過20~35%。

但到了Notch1這，意外卻發生了。雖然Notch1突變陽性選擇作用很強，但食道鱗癌裡的Notch1突變反倒比正常組織裡少!

10%左右的食道鱗癌中存在Notch1突變，這個比例确實不低了，也因此被認為是食道癌的一個驅動基因。不過這次試驗6個40歲以上（食道癌高發年齡）的捐獻者中，有5個的Notch1突變頻率在30~80%之間，比腫瘤裡的還要多。

這個現象是研究人員沒有料到的，也與當前的認知相悖。這樣看來Notch1通路與食管癌之間的關系沒那麼簡單。這個發現也提醒我們，是不是在其他的癌種中也存在類似的現象。隻能說，我們對癌症的認知還非常有限。

不同年齡的志願者中，TP53和Notch1的突變頻率。

灰色範圍是食管鱗癌中的突變頻率。

不過食道中這麼多的突變是哪來的呢？接下來，研究人員又分析了突變的模式，從中可以對導緻突變的原因略窺一二。比如皮膚中就經常有CC→TT的突變，就是紫外線輻射産生的[9]。

在這些正常的食道上皮中，最常見的突變類型是C→T的突變，而且主要發生在經常被甲基化的CpG中的C上。這種突變是胞嘧啶的自發脫氨基造成的，是衰老的一個反映，還真是歲月不饒人。

在食道癌細胞中同樣有大量C→T的突變，但與正常組織中發生的位置不同，主要發生在TCA、TCT這樣的序列上，是胞嘧啶脫氨酶APOBEC造成的[10]。APOBEC本來是人體抵抗逆轉錄病毒的，但在腫瘤中，APOBEC的表達異常增多，讓基因組DNA也發生了突變，這也是腫瘤異質性的一個主要來源[11]。而在這9個捐獻者的正常食道上皮中，沒有發現APOBEC造成的突變，或許APOBEC要到臨近腫瘤發生時才起作用。

不同類型突變的頻率

這些正常的食道上皮中還有不少C→A的突變，這種突變可以由吸煙引起，也可以由其它很多因素造成。不過雖然這9位捐獻者中有4位吸煙，在其中2位重度吸煙者中也觀察到了更高的突變頻率，但卻沒有發現明顯是由煙草産生的突變，可能是因為煙草的誘變特征是在肺中統計得出的，跟食道的情況有一定差别。

無論是正常組織中比腫瘤還多的Notch1突變，還是吸煙者中符合煙草誘導特征的突變的缺失，都反映着我們對正常組織中，體細胞的突變和進化知之甚少。而對正常組織中體細胞的突變和選擇的理解，也将有助于我們深入了解癌症的起源和衰老的過程。

“作為癌症研究人員，我們不能低估研究健康組織的重要性。”英國癌症研究中心的首席科學家Karen Vousden教授評論，“這項研究表明，一些與癌症有關的基因變化在正常細胞中驚人地大量存在。要完全理解這些新發現的含義，我們還有很長的路要走，但我們希望這樣的研究有一天能幫助我們開發有針對性的診斷測試。”

編輯神叨叨

1985年人類基因組計劃提出時，人們天真的以為隻要測出基因組DNA的序列，就能完全理解生命的過程。可是到了2018年，人類基因組草圖的繪制工作已經完成了18年，對于基因功能的認識依然隻是冰山一角。

想全面系統地了解有關腫瘤的知識嗎？不管你是醫生、科研工作者，還是剛進入這個領域的醫學生，下面這本關于癌症的巨著——《癌生物學》都是最佳的選擇，它可能為你打開一扇絢爛的科學之窗。

參考文獻：

1. Martincorena I, Fowler J C, Wabik A, et al. Somatic mutant clones colonize the human esophagus with age[J]. Science, 2018: eaau3879.

2. Iñigo Martincorena, Amit Roshan, Moritz Gerstung, et al. High burden and pervasive positive selection of somatic mutations in normal human skin[J]. Science, 2015, 348(6237):880-886.

3. 10.1016/j.ceb.2018.06.010

4. Williams A B, Schumacher B. p53 in the DNA-Damage-Repair Process[J]. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 2016, 6(5).

5. Kobayashi A, Kang M I, Okawa H, et al. Oxidative stress sensor Keap1 functions as an adaptor for Cul3-based E3 ligase to regulate proteasomal degradation of Nrf2.[J]. Molecular & Cellular Biology, 2004, 24(16):7130-9.

6. Hopkin A S, Gordon W, Klein R H, et al. GRHL3/GET1 and Trithorax Group Members Collaborate to Activate the Epidermal Progenitor Differentiation Program[J]. Plos Genetics, 2012, 8(7):e1002829-e1002829.

7. Zhang L, Zhou Y, Cheng C, et al. Genomic Analyses Reveal Mutational Signatures and Frequently Altered Genes in Esophageal Squamous Cell Carcinoma[J]. American Journal of Human Genetics, 2015, 96(4):597-611.

8. Nowell C S, Radtke F. Notch as a tumour suppressor[J]. Nature Reviews Cancer, 2017, 17(3):145-159.

9. Nik-Zainal S, Alexandrov L B, Wedge D C, et al. Mutational processes molding the genomes of 21 breast cancers[J]. Cell, 2012, 149(5): 979-993.

10. Jarvis M C, Ebrahimi D, Temiz N A, et al. Mutation Signatures Including APOBEC in Cancer Cell Lines[J]. JNCI cancer spectrum, 2018, 2(1): pky002.

11. Swanton C, McGranahan N, Starrett G J, et al. APOBEC enzymes: mutagenic fuel for cancer evolution and heterogeneity[J]. Cancer discovery, 2015.

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本文作者 | 孔劭凡 & BioTalker

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