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生活作息超重要!港大、哈佛等联合Nature | 一生中积累的突变最终导致了胃癌!

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根据国家癌症中心的最新数据,我国胃癌的年发病人数已超过 35 万,新发病例占全球近 40%,位居全球前三。尽管胃癌总体发病率在老年群体中仍占主导(40岁以上患者占80%以上),但多项研究指出,年轻人胃癌的发病率呈现显著上升趋势。

几十年来,科学家们一直明白突变在癌症发生(即致癌过程)中扮演着重要角色。但较少人关注的是,在癌症真正形成之前,正常组织中发生的突变在多大程度上为癌变“铺路”。随着年龄增长,我们体内会不断积累突变。这些突变可以改变正常细胞的状态。而理解这些突变是如何以及为何发生的,将为我们揭示癌症发生和衰老等过程提供重要线索。

为此,2025年3月19日,Nature在线发表了一篇题为“The somatic mutation landscape of normal gastric epithelium”的研究文章,该研究对来自30位个体(其中18位患有胃癌)的238个胃组织显微切割样本进行了全基因组测序,系统地描绘了正常与癌变胃上皮的发育轨迹。

研究发现,胃腺体由单克隆细胞群组成,这些细胞每年大约积累28个体细胞单核苷酸突变,主要由体内自然发生的突变机制所致。在胃癌患者中,化生腺体通常表现出更高的突变负荷,其原因可能与细胞增殖加速和氧化损伤相关的突变机制增强有关。这些突变克隆随年龄增长而逐渐扩张,到60岁时可占据大约8%的胃上皮表面。


胃上皮的突变率

本研究纳入了来自香港、美国和英国的30位供体(18位胃癌患者,12位无胃病变者),通过全基因组测序分析了共238个胃腺体(其中217个来自正常组织,21个来自胃癌组织),并对额外的829个胃腺体进行了癌基因的靶向测序。研究发现,胃腺体通常为单克隆结构,且体细胞突变随着年龄线性增长:在无胃病变者中,胃腺体干细胞每年平均积累约27.8个单核苷酸变异(SNV)和2.0个小插入/缺失(indel),这主要源于内源性突变机制。


图1. 克隆和突变率

在胃癌患者中,尤其是发生肠化生(intestinal metaplasia, IM)的腺体,突变负荷显著升高,同时伴有更高的变异等位基因频率。并在解剖上邻近的组织中呈现出克隆扩张现象。但同一供体中不同部位的肠化生腺体系统发育上并无明显关联,提示肠化生可能在多个部位独立诱导形成。

此外,研究还发现,胃腺体中端粒每年平均缩短约38个碱基,而在中重度炎症背景下,端粒长度平均进一步缩短570个碱基。相比之下,来自胃癌组织的腺体具有更高的突变负荷,明显高于正常和肠化生腺体。这些数据揭示了体细胞突变在正常、癌前和癌变组织中的演化轨迹,突出了肠化生作为癌变关键前驱状态的重要性。


图2. 胃段,慢性炎症和化生

突变标签和流程

突变特征(mutational signatures) 是特定突变机制在基因组中留下的模式。目前,癌症和正常细胞中已识别出70多种单碱基替换(SBS)特征。本研究利用胃腺体的全基因组突变数据,提取出9种突变特征(SBS1、SBS2、SBS3、SBS5、SBS13、SBS17a、SBS17b、SBS18、SBS28),均为既往已知特征:

SBS1:源于5-甲基胞嘧啶的自发脱氨;

SBS2/SBS13:与APOBEC脱氨酶相关,仅见于PD41759的肿瘤;

SBS3:与同源重组修复缺陷相关,仅在PD41759中检测;

SBS5/SBS40:致因不明,可能为内源性;

SBS17a/SBS17b:致因不明,可能与化疗药物5-FU或氧化应激相关;

SBS18:与活性氧引起的DNA损伤相关;

SBS28:致因未知。

在正常胃腺体中,突变主要归因于SBS1、SBS5/40和SBS18,与年龄呈线性相关。肠化生腺体中突变负荷增加,主要由SBS1和SBS18的累积造成。


图3. 突变特征

对于插入/缺失突变(indels),常见ID1和ID2(源于聚合酶滑移),以及ID5和ID9(起因不明)。肠化生腺体中ID1和ID2数量显著增加,且ID2/ID1比例升高,接近胃癌组织的突变特征。

部分胃癌患者的正常胃腺体中检测到低水平的SBS17a和SBS17b,这些特征通常与肿瘤细胞相关,但也曾在正常B淋巴细胞中发现,提示胃上皮可能更容易生成这些突变。

胃癌组织的腺体突变谱与正常胃腺体显著不同,除了常见的突变特征外,还富集了SBS17a/b、SBS3、SBS2/13及若干未知致因的indels。

胃黏膜腺体中的复发性三体性

在217个正常胃腺体中,73个检测到体细胞拷贝数变异(CNVs)或结构变异,频率显著高于其他正常细胞类型。这些变异在胃上皮中主要表现为染色体内缺失,常涉及脆弱位点如FHIT、PTPRD和MACROD2,且多数为三体变异,主要涉及13号和20号染色体。

这些三体事件常在个体中独立发生,且发生在类似年龄段。例如,在64岁胃癌患者PD40293的12个胃腺体中,9个存在CNVs,三体事件主要发生在20号和13号染色体。通过分析推测,20号染色体的三体大多在12岁前形成,13号三体在22岁前,17q的cnn-LOH在35岁前。


图4. CNVs和复发性三体

进一步分析发现,三体事件在胃体和胃底区域更为集中,且与慢性严重炎症显著相关。年龄、肠化生和胃癌与三体事件无显著关联。综上,染色体三体事件可能在特定生命阶段突发,局限于特定胃部区域,与慢性炎症相关,可能与病原体暴露或感染有关。

胃腺中的驱动突变

研究者对217个胃腺体的全基因组数据进行补充,针对829个多克隆微切片中的321个已知癌基因进行靶向测序。结果发现七个基因显著处于正向选择下(q < 0.1),包括ARID1A、ARID1B、ARID2、CTNNB1、KDM6A、LIPF和EEF1A1,其中LIPF和EEF1A1在胃癌中的突变频率较低。CTNNB1的突变主要为蛋白质终止性突变,与胃癌中的热点错义突变不同。


图5. 驱动突变

某些驱动突变集中在特定区域,例如,PD42790样本中,CTNNB1的三次框移突变发生在毫米范围内,显示出强烈的局部选择压力。尽管BRAF、KRAS等常见驱动突变未达到统计学显著性,TP53和PIK3CA突变未在正常胃腺体中发现。

突变主要集中在单一微切片,且在慢性炎症严重的腺体中更常见,提示慢性炎症可能促进突变克隆的生长。突变克隆的分布与年龄和慢性炎症相关,但与肠化生无显著关系。

总结

综合来看,该研究提示,化生是一种关键的细胞“重编程”事件,会加速突变积累,早在肿瘤形成之前便为癌变埋下伏笔。这项研究提供了详尽的突变图谱,但突变不一定直接改变细胞的功能。

研究还发现,慢性严重炎症与胃腺体驱动突变数量及突变上皮比例升高显著相关,表明慢性炎症在塑造前肿瘤选择景观中起重要作用。不同捐赠者间的突变比例差异可能反映选择压力的个体差异。该研究表明,胃上皮突变景观与其他胃肠道上皮细胞有所不同,可能受细胞生物学、组织结构、肠道内容和未知因素的影响,共同塑造突变景观。

总的来说,这项研究深化了我们对正常组织中突变积累方式的理解,也重新定义了癌症发生前“准备阶段”的分子图景。研究强调了研究致癌机制时,必须同时关注正常组织的遗传与表观遗传背景,而非仅聚焦于肿瘤组织本身。


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