Medical Research

近日，发表在《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上的一项研究中，有新的重大发现，即包括斯坦福大学遗传学专家在内的一个研究小组，确定了人类癌症基因组调控区域的体细胞突变。尽管，到目前为止，调控基因组突变模式的一些特征也尚未得到充分确定，而找出癌症中一些调控突变的潜在机制，对于科学家而言，也仍是一个巨大的挑战。但是，来自该项研究的新发现，的确是朝着揭露导致癌症相关突变的原因及后果迈出的重要一步，为科学家们进一步预测在癌症中发挥关键作用的调控区域提供了重要线索，因此，具有重要的意义。

在这项研究中，研究人员收集了8个癌症亚型的436例患者的遗传信息。然后，他们开始寻找癌症基因表达的异常调节。研究人员从癌症基因组图谱（TCGA）中，通过编码和其他调控注释技术，查找调控区域的基因突变。为了确定单核苷酸突变体（SNVs），研究人员利用两种不同的演算法对来自于436个患者的癌症及正常组织的全基因组测序数据进行了严格的分析。随后采用新方法调整样本以及基因组特定基因座的突变率，确定癌症的反复突变位点跨越个体。

实验表明了在转录因子结合位点突变的正向选择，与这些位点调控重要的肿瘤细胞功能相一致。突变的调节位点包括TERT启动子上的已知位点和许多新位点，包括接近癌症相关基因的一个子集。实验中，两个新的位点在突变后显示出增强子活性的下降。这些数据表明，许多调节区域在选择性压力下可控制突变基因，另外与之前报道相比，可调控的基因突变在癌症中发挥更大的作用。

研究人员使用搜索同源基因组的启发式方法对疑似突变存在的参考序列区域进行过滤，进而消除由测绘误差引起的可能被错误认为的突变。最后，在下游统计分析的帮助下，将癌症样本分为检测组和验证组。

样品突变计数的数据总结，表明了癌症类型内部和癌症类型之间存在本质的差异，与报道的数据相一致，在肺鳞状细胞癌（LUSC）和肺腺癌（LUAD）中拥有更高的突变载荷。突变等位基因片段在癌症类型之间略有不同，这可能反映了样品的纯度或集落生成的差异。突变计数与测序深度不相关，这表明了全基因组样品可在充分覆盖的情况下进行测序，来捕获大多数丰富的体细胞突变。这些数据支持高品质突变的完整性。

为了研究调节区域突变的作用，研究人员用来自于GENCODE和RegulomeDB的基因和调控信息注释了突变。总体而言，注释程序显示了编码外显子和潜在的调节区域突变分别约占每个癌症类型被认为突变的0.036-0.056％和31-39％。落在假定调控区域的大部分突变强调了癌症中调控功能紊乱的可能性。

接下来，研究人员试图探讨在调控区域的突变在癌症中是否受到净化选择的控制。以前，Weinhold等人分析表明了与基因间和非调节区域相比，突变的编码区和调节元件被消耗殆尽。这些数据可以通过净化选择或由已知的影响突变率包括复制定时和碱基对组合物的协变量的相关调节元件进行说明。为了独立地分析这些协变量的净化选择，研究人员对调节元件的突变和一组选定的模拟突变片段进行了比较。相对于非调节区域，调节区域的实际和模拟的突变显示出的突变率几乎没有差别。

非编码的DNA元件包括基因组的大部分，因此此研究中的数据强调了癌症中这些区域和调节区域的重要性。研究表明了调控位点特定范畴突变的阳性选择，同时观察到癌症选择为特定的转录因子摧毁或可能创造新的结合位点的特异性突变的突变模式。此外，发现特定调节位点复发性突变的证据，包括许多接近已知的癌症相关基因，其中有两个新的调控区域在突变中调控活动减少。

研究发现，对于大多数癌症来说，调控区域的体细胞突变没有完全经历净化选择。这一发现与最近报道的调节区域在人类群体水平上经历净化选择是相对立的。癌症中的选择和人类群体水平上选择的主要区别在于：在癌症中，只有某个单一的细胞类型经受选择，而在生物体中，选择可以经由任何类型的细胞的功能障碍而发生。此外，在癌症中，由于正常细胞凋亡过程的功能紊乱，破坏性突变可能具有更强的耐受性。先前Weinhold等研究报道，基因间的突变率高于编码区和调控区。此项分析表明，在突变率上观察到的差异可以在很大程度上通过潜在的假阳性突变的映射错误，或者与碱基对类型差异和复制时间相关的突变率不同来解释。

的确，Polak等近期的研究数据表明，癌症染色体内的突变率与每种起源于癌症类型的细胞类型的开放染色质状态是呈负相关的。这一发现与只发生在活跃于癌症细胞类型的调控区域子集的净化选择相一致。通过转录因子结合位点对调控突变的进一步亚分类，确定了可能销毁位点或者增强位点的转录因子结合亲和力的选择性突变的调控区域子集。据推测，这种变异可能通过抑制肿瘤抑制基因或者激活癌基因来促进癌症的发生。突变可能通过除去活化位点或添加抑制性位点来灭活肿瘤抑制基因，也可能通过除去抑制性位点或添加活化位点来激活癌基因。

此项研究还强调了，调控突变在癌症发展的特定基因位点的潜在重要性。该研究发现，除了众所周知的TERT启动子突变，癌症中存在若干正向选择的调控突变，暗示了一些接近已知的癌症相关基因的调控区域。复发性突变发生在已知的参与癌症的GNAS，INPP4B，MAP2K2，BCL11B，NEDD4L，ANKRD11，TRPM2和P2RY8附近以及与癌症相关的邻近基因GP6等。这些分析标志着识别复发性的功能调控区域突变的进展。未来将结合更大数目的癌症类型的额外癌症样品，使得癌症特定类型调节突变得到更全面的分析和共享。

目前，有与基因本身同样多甚至更多的基因组区域负责基因调控。这样，大量这样的区域可在癌症中发生突变。这种调控冗余可能在一些肿瘤抑制基因的调控区域预防有害突变的选择，但也应增加突变发生时产生功能性影响的调控序列的数量。TERT多个区域上游的存在可能与癌症有关，并且任何一个基因可以有多种不同的增强子的事实可以支持此假说。

总体而言，科研人员预测，许多基因调控区域被证明在癌症中具有重要作用。因此，在本研究中采用的方法和信息，为此领域的其它研究分析提供了有力的借鉴作用。

（来源：百替生物，作者：Fiona）

原文摘要:

Aberrant regulation of gene expression in cancer can promote survival and proliferation of cancer cells. Here we integrate whole-genome sequencing data from The Cancer Genome Atlas(TCGA) for 436 patients from 8 cancer subtypes with ENCODE and other regulatory annotations to identify point mutations in regulatory regions. We find evidence for positive selection of mutations in transcription factor binding sites, consistent with these sites regulating important cancer cell functions.Using a new method that adjusts for sample- and genomic locus–specific mutation rates, we identify recurrently mutated sites across individuals with cancer. Mutated regulatory sites include known sites in the TERT promoter and many new sites, including a subset in proximity to cancer-related genes.In reporter assays, two new sites display decreased enhancer

activity upon mutation. These data demonstrate that many regulatory regions contain mutations under selective pressure and suggest a greater role for regulatory mutations in cancer than previously appreciated.