《自然遗传学》：基因组中最常见的突变的来源已经被重新定位

路德维希癌症研究中心的一项研究打破了一个长期存在的假设，即基因组中最常见的DNA突变类型的来源，这种突变会导致许多遗传疾病，包括癌症。

由路德维希牛津领导研究员Marketa Tomkova，博士后Michael McClellan，助理成员Benjamin Schuster-Böckler和副研究员Skirmantas Kriaucionis领导的这项研究不仅对基本的癌症生物学有影响，而且对与环境因素相关的致癌风险评估以及我们对癌症治疗过程中耐药性出现的理解也有影响。该研究结果发表在最新一期的《自然遗传学》杂志上。

基因的四个DNA碱基之一胞嘧啶(C)被错误地转换成胸腺嘧啶(T)，这一突变被认为主要是与水自发化学反应的结果。当一个胞嘧啶被添加一个甲基分子来产生5-甲基胞嘧啶时，这种脱胺反应发生的可能性大约是它的两倍，这种反应发生在DNA中所谓的“CpG”位置，其中C后面是碱基鸟嘌呤(G)。这种标记在基因组中很常见。在控制基因表达方面起着基本的作用，因此从胚胎发育开始，对细胞功能的各个方面都是必不可少的。

Tomkova说:“长期以来，人们一直认为C到T的突变是由随机的化学反应引起的。我们的研究表明，这并不完全正确。相反，这种突变主要是在细胞复制其基因组进行分裂时产生的，主要是由于细胞dna复制机制的一个关键组成部分在遇到甲基化的胞嘧啶时出现编辑错误的倾向。”

几年前，路德维希大学牛津大学的研究小组对英国和加拿大实验室共享的癌症基因组序列进行了研究，初步了解了这一现象。他们在这些数据中注意到，具有某些基因畸变的癌细胞更有可能发生CpG到TpG的突变。

已知这些细胞缺乏修复由突变产生的不匹配DNA序列的能力，以及那些DNA复制机制的一个组成部分DNA聚合酶ε (Pol ε)发生突变的细胞，DNA聚合酶ε能够校对新的DNA链并编辑出这些错误。这两种缺陷都会干扰细胞分裂过程中的DNA修复，并且已知它们都与癌症患者的高度突变肿瘤有关。

“如果没有世界各地研究人员之间自由开放的数据共享，我们的研究是不可能的:我们首先在从这些实验室收到的数据中发现了甲基胞嘧啶位点的特殊模式，在我们开始考虑实验测试之前，我们使用公共数据来完善我们的假设。”

为了验证他们的假设，研究人员开发了一种新的非常敏感的DNA测序技术，可以从实验工件中识别出Pol ε在DNA复制过程中产生的真正错误。他们应用了聚合酶错误率测序(PER-seq)技术，对超过1.3亿个DNA分子中的280亿个碱基进行了测序，测量了正常人类Pol ε和最常见的癌症相关酶突变的准确性。

他们的研究表明，突变的Pol ε产生CpG到TpG突变的速率与携带该突变的癌细胞相似。即使是正常的Pol ε在甲基胞嘧啶位点产生的突变率是非甲基化胞嘧啶的7倍。

这些发现直接将CpG和TpG突变的发生率与细胞分裂联系起来，解释了为什么这些突变倾向于随着年龄的增长而积累。他们还解释了为什么不同组织和肿瘤的突变频率差异如此之大:因为不同类型的正常细胞和癌细胞的增殖速度非常不同。

“这也意味着CpG到TpG突变的积累可以像时钟一样用来确定细胞的年龄，这可能对研究探索有用，例如，不同癌症在获得对不同治疗的抗性之前的生长速度有多快，”Kriaucionis说。

此外，为这项研究开发的方法也对癌症预防有影响。为了准确测量各种环境因素(如化学污染物)诱导致癌DNA突变的可能性，它有助于了解这些突变中有多大比例是由相关组织中正常过程(如细胞分裂)中的错误引起的。