Nature最新成果：首次可以研究任何人体组织DNA的变化

在最新一项研究中，Wellcome Sanger研究所的科学家解决了长期以来的技术难题，科学家们首次能够研究任何人体组织DNA的变化。这种称为纳米测序（NanoSeq）的新方法使研究人类组织中遗传变化的发生方式达到前所未有的准确性。

这一研究成果公布在4月28日Nature杂志上，代表了癌症和衰老研究的一项重大进展。使用NanoSeq可以研究血液，结肠，大脑和肌肉的样本，而且这项研究还挑战了“细胞分裂是驱动遗传变化的主要机制”的最基本的遗传学观点。预计新方法还将使研究人员能够研究致癌物对健康细胞的作用，并且比目前为止更容易，更大规模地进行研究。

我们体内的组织由分裂细胞和非分裂细胞组成。干细胞在我们的一生中都会自我更新，并负责提供不分裂的细胞以保持身体的运转。我们体内的绝大多数细胞是不分裂的，或者很少分裂。它们包括我们血液中每天产生的数十亿个细胞，它们的寿命很短，还有大脑中神经元，不过它们的寿命比较长。

自20世纪后期基因组测序问世以来，癌症研究人员已经能够通过研究肿瘤DNA的体细胞突变，更好地了解癌症的形成以及如何治疗癌症。近年来，新出现的技术还使科学家能够研究从健康组织中提取的干细胞中的突变。

但是直到现在，基因组测序还不够精确，无法研究未分裂细胞中的新突变，这意味着我们绝大多数细胞中的体细胞突变尚无法准确观察到。

在这项新研究中，Wellcome Sanger研究所的研究人员希望能完善双链测序这一先进测序方法。该团队搜索了双链序列数据中的错误，并意识到它们集中在DNA片段的末端，并具有一些特征，这些缺陷表明用于制备DNA进行测序的过程中存在问题。

然后，他们对DNA制备过程进行了改进，例如使用特定的酶更干净地切割DNA，以及改进了生物信息学方法。在四年的时间里，精确度一直得到提高，直到达到每十亿个DNA字母错误少于五个。

领导这一研究的Robert Osborne博士说：“检测仅存在于一个或几个细胞中的体细胞突变在技术上具有极大的挑战。这必须在数以百万计的DNA碱基中找到一个变化，以前的测序方法根本不够准确。由于NanoSeq在每十亿个DNA碱基中仅产生几个错误，因此我们现在能够准确地研究任何组织中的体细胞突变。”

在最新研究中，该团队利用NanoSeq的更高灵敏度来比较了几种人体组织类型中干细胞和非分裂细胞中突变的速率和模式。

出人意料的是，对血细胞的分析发现，在缓慢分裂的干细胞和分裂更快的祖细胞中有相似数量的突变。这表明细胞分裂不是导致血细胞突变的主要过程。对未分裂的神经元和很少分裂的肌肉细胞进行的分析还表明，突变在整个生命中都在没有细胞分裂的细胞中积累，并以与血液中的细胞相似的速度积累。

文章一作Federico Abascal博士说：“人们通常认为细胞分裂是发生体细胞突变的主要因素，分裂的次数越多，产生的突变就越多。但我们的分析发现，分裂得比其他细胞多得多的血细胞具有相同的突变率和突变模式。这改变了我们对诱变的看法，并暗示除细胞分裂外的其他生物学机制是关键。”

在所有细胞中观察突变的能力开辟了研究癌症和衰老的新途径，例如研究已知致癌物，如烟草或日晒的影响，以及发现新致癌物。这样的研究可以极大地增进我们对生活方式的选择，以及致癌物如何导致癌症的理解。

NanoSeq方法的另一个好处是可以相对轻松地收集样品。除了对组织进行活检，还可以无创地收集细胞，例如刮擦皮肤或擦拭喉咙。

另一位通讯作者Inigo Martincorena博士说：“在这项研究中，小规模应用NanoSeq已经使我们重新考虑我们对诱变的认识，这是令人兴奋的。NanoSeq同时也使大规模研究体细胞突变变得更容易，更便宜且更具成效，现在我们可以研究数百名患者的样本，而不是分析少数患者的活组织，并且只能检测干细胞或肿瘤组织。这种方法能让我们观察任何组织中的体细胞突变。”

原文链接：

http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03477-4

Somatic mutation landscapes at single-molecule resolution