Nature|癌癥非整倍體形成的主要驅動力

　　盡管非整倍體（此處定義為整個染色體或整個染色體臂DNA的失衡）存在于約90%的腫瘤中，并且是癌癥中首次提出的體細胞改變，但其普遍發生的原因及其在驅動癌癥中的作用仍不清楚。有研究表明，非整倍體的普遍發生可能反映了頻繁的染色體錯誤分離、重排或中心體畸變（機械偏倚），或與非整倍體相關的適合性優勢（選擇偏倚）。然而，在低細胞應激條件下，酵母、小鼠和人癌細胞系中的非整倍體通常會降低增殖率并增加細胞衰老，只有在進一步進化后才會挽救增殖率。此外，在酵母和人類細胞中，非整倍體被發現在某些類型的細胞應激或基因缺陷的背景下是有益的，并且非整倍體的一般狀態也被發現有助于腫瘤的進化和耐藥性【1-3】。然而，在人類腫瘤的自然環境下，人們并沒有全面了解個體染色體臂水平體細胞拷貝數改變（arm-SCNA，從端粒延伸到著絲粒的SCNA）對適應性的積極或消極影響，其中一個很重要的原因在于評估arm-SCNA功能后果的實驗方法在技術上存在困難，且很少在人類細胞中進行。

　　近日，來自美國麻省理工學院和哈佛大學的Broad研究所的Rameen Beroukhim團隊在Nature上在線發表了題為Cancer aneuploidies are shaped primarily by effects on tumour fitness的文章，開發了一種方法—BISCUT（breakpoint identification of significant cancer undiscovered targets，重大癌癥未發現靶點的斷點識別），可通過分析端粒或著絲粒有限拷貝數事件的長度分布來識別受適應性優勢或劣勢影響的基因位點，顯著豐富了已知的癌癥驅動基因；同時，利用該方法也系統地表征了選擇性和機械性偏倚對癌癥內部和癌癥之間染色體臂非整倍體模式的影響，發現染色體臂水平拷貝數變化率與其對細胞適應性的影響高度相關，由此為非整倍體背后的驅動力及其對腫瘤發生的貢獻提供了新見解。

　　本文研究人員對TCGA數據庫中涵蓋了33種癌癥類型的10,872個腫瘤進行分析發現，arm-SCNA是癌癥中最常見的體細胞遺傳改變，其構成了25個最常見事件中的23個，而且比任何其他類型的體細胞遺傳改變包含了更多的癌癥基因組。那么不同arm-SCNA的頻率是主要取決于它們產生的機械容易程度，還是取決于它們對進化適應性的影響呢？又是哪些基因位點參與了arm-SCNA對進化適應性的影響呢？本文研究人員推測，特定基因位點中斷點的富集可能有助于深入了解機械偏差和選擇所起的作用以及正在進行選擇的特定遺傳元件，因此，研究人員開始通過檢測起始于端粒或著絲粒的SCNA斷點的位置（分別稱為tel-SCNA和centi -SCNA，統稱為partial-SCNA）（圖1）來解決上述問題。

SCNA分類（發生拷貝數變化的DNA為綠色）

　　首先，研究人員分析了著絲粒內與染色體臂內斷點的相對密度，以顯示對arm-SCNA有利或不利的機械偏差。結果顯示在所有染色體臂和腫瘤類型中，39%的tel-SCNA終止于著絲粒——相對于染色體臂內，著絲粒中的斷點密度增加了四倍，但著絲粒斷點的頻率似乎與著絲粒的長度無關。因此，研究人員隨后探討了染色體間著絲粒斷裂率的差異，結果發現與arm-SCNA一樣，partial-SCNA的振幅（獲得或刪除的拷貝數）往往低于間質型SCNA（interstitial SCNA），表明partial-SCNA對其包含的基因座的影響與arm-SCNA相似。當對所有染色體臂和癌癥類型進行匯總時，partial-SCNA遵循幾乎均勻的長度分布，研究人員認為這些是在沒有適應性影響情況下的“背景”partial-SCNA分布。可以想見，如果基因座的改變增加了細胞適應性（即積極選擇的“驅動”事件），那么更多的partial-SCNA將包含該基因座，反之亦然。因此，當將染色體臂特異性partial-SCNA長度分布與背景分布進行比較以檢測受選擇影響的基因組位點時，理應觀察到與所選基因位點相鄰的partial-SCNA斷點頻率的突然跳躍或下降。事實也確實如此，研究人員觀察到四種模式：1）沒有偏離背景模型，沒有提供選擇的證據；2）偏離背景模型的單個基因位點，可能代表受可檢測的正向或負向選擇影響的單個基因位點；3）有多個這樣的基因位點，對應于多焦點選擇；4）與背景相反方向的基因位點，表明均衡選擇。基于此原理，研究人員開發了BISCUT。

　　當把BISCUT應用于TCGA生成的10,872個癌癥拷貝數譜時，檢測到193個基因組位點處于明顯的選擇下，這些峰值位點顯著富集了 COSMIC Cancer Gene Census中已知的癌基因和腫瘤抑制因子，并且在受到正向或負向選擇的基因中均存在。與此同時，BISCUT的結果與非同義突變和同義突變的歸一化比率（dN/dS ratio）的適應性估計一致。對于所有截斷突變類型（無義突變和剪接位點），del-neg峰中的基因傾向于具有較低的dN/dS評分（表明負向選擇），而del-pos峰的基因在所有突變類型中具有較高的dN/dS評分（表明正向選擇）。由此可見，BISCUT峰值富集了癌癥驅動因子，并提供了局部SCNA（focal SCNA）分析以外的寶貴信息，而且特定于遺傳或組織背景的分析也可在選擇中發現額外的位點，通常具有譜系特異性。

　　為了驗證沒有已知癌基因或腫瘤抑制因子的 BISCUT 峰值中的基因，研究人員利用永生化的肺上皮細胞，對其進行染色質臂水平8p缺失的同源改造（染色體臂8p在癌癥類型中經常被刪除，但尚未在8p上檢測到典型的腫瘤抑制因子）。在3個8p del-pos峰中，在8p12中的最小峰包含2個蛋白質編碼基因，以其中之一的解旋酶編碼基因WRN為研究對象，實驗結果發現，WRN的部分抑制足以減少細胞死亡，而且WRN的半合子缺失與特定的突變特征有關，包括微衛星不穩定（MSI）的缺乏，由此證實BISCUT發現的WRN是染色體8p上的一個單倍不足腫瘤抑制基因，WRN的拷貝丟失可能是8p丟失細胞適應性增加的部分原因。與此同時，研究人員還驗證了del-neg峰中的基因，證明BISCUT檢測到的del-neg峰通常含有敲低后對細胞生長有害的基因，這些基因對癌細胞是必需的，它們的缺失會降低細胞的適應性。進一步地，利用BISCUT通過評估峰值上斷點頻率的變化來估計每個峰值基因座產生的細胞適應性變化的幅度，研究人員還正式量化了選擇和機械偏倚在驅動非整倍體中的作用，發現arm-SCNA的變化率與其對細胞適應性的影響高度相關，選擇是染色體臂之間和不同癌癥類型之間相對arm-SCNA比率的主要決定因素。

　　綜上所述，本研究開發的BISCUT與其他體細胞遺傳事件的復發分析不同，因為它依賴于染色體臂上斷點的分布，而不是改變的最大頻率。利用BISCUT，本研究直接解決了癌癥中非整倍體是否被積極選擇這一長期存在的問題，強有力的證明SCNA介導的細胞適應性效應與癌癥的非整倍體率高度相關，且通常存在組織特異性。同時也發現了arm-SCNA負向選擇的證據，證明正向和負向選擇在SCNA背景下都是顯著的。此外還證明低幅度端粒和著絲粒結合的SCNA（以前未被充分認識的體細胞改變亞群）的長度分布為檢測癌癥中選擇下的位點提供了新信息。