IF50.5｜体细胞中致突变DNA损伤可持续数月甚至数年

利用高分辨率系统发育树，首次在人类正常干细胞中直接观测到跨多个细胞周期的持久性DNA损伤。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

DNA持续受到内源和外源因素的损伤，每个细胞在任何时刻都携带数千个DNA损伤位点。大多数已知损伤类型的半衰期仅为几分钟到几小时，这得益于高效的DNA修复机制。然而，损伤能否以更长时间尺度持续存在，此前一直未知。近年一项小鼠研究显示，单次高剂量烷化剂暴露后，部分DNA损伤可跨多个细胞周期持续存在，并在每轮复制中产生不同突变。这一现象是否也存在于人类内源性损伤中，是亟待回答的问题。

科学问题

卡在哪里： 此前对DNA损伤持续时间的认识主要基于化学检测和体外实验，缺乏在体内、在正常人类干细胞中直接观测持久性损伤的手段。小鼠模型仅证明了外源烷化剂诱导的损伤可以持久存在，但内源性损伤是否同样如此、其频率和持续时间如何，均不清楚。

本文要回答： 利用高分辨率体细胞系统发育树，识别并定量人类正常干细胞中跨多个细胞周期持续存在的DNA损伤，揭示其来源、频率、持续时间和突变后果。

技术路线

作者主要用了：全基因组测序、单细胞克隆、系统发育树重建、多等位变异检测、系统发育违背变异检测。

作者收集了7套已发表的体细胞系统发育树数据，涵盖89名供体的血液、肝脏和支气管上皮干细胞。通过分析同一基因组位点上出现的多个突变等位基因（MAV）或违背系统发育树一致性的突变（PVV），推断持久性DNA损伤的存在。首先在全基因组范围内识别MAV和PVV，然后通过模拟、定相和拷贝数分析排除独立突变、LOH等假阳性，最后对确认的持久性损伤进行突变特征、发生时间和持续时间的定量分析。

图 1　Fig. 1。图1展示了持久性DNA损伤产生MAV和PVV的机制及系统发育树特征。a-c为三种损伤模式：简单MAV、分离MAV和PVV。d-f为对应的系统发育树形态，绿色线代表损伤路径，星号标记非突变复制产生的亚克隆。g-i为实际数据中的例子，包括胎儿HSPC中的简单MAV和分离MAV，以及可追溯至受精卵的PVV。

核心亮点

亮点 1｜持久性损伤产生MAV和PVV

在89名供体的103棵系统发育树中，共鉴定出818个由持久性DNA损伤产生的突变，包括328个MAV和490个PVV。MAV表现为同一基因组位点出现两个不同突变等位基因，且位于系统发育树的同一谱系内；PVV则表现为突变在树上的分布违背单次突变事件的预期。通过模拟、定相和拷贝数分析，排除了独立突变、LOH等替代解释，确认这些变异确实来源于跨多个细胞周期的持久性损伤。

图 2　Fig. 2。图2通过模拟和定相分析验证MAV和PVV的成因。a-b显示观察到的MAV中简单和分离方向的比例远高于独立突变模拟（简单MAV高28倍，分离MAV高3.8倍）。c显示简单和分离MAV的定相几乎完全匹配（78/81和21/24），而无关MAV的匹配比例接近随机。d-h评估了PVV的替代解释，包括LOH、独立突变和自发回复，结果显示这些机制仅能解释少数PVV。

亮点 2｜外源诱变剂导致持久性损伤

在暴露于烟草或化疗的供体中，持久性DNA损伤的发生率显著升高，并呈现独特的突变特征。支气管上皮中MAV数量与吸烟状态相关，吸烟者MAV率更高；化疗暴露的HSPC系统发育树中MAV和PVV数量增加，且突变谱以T>A为主，并出现SNV与indel混合的MAV，提示烷化剂诱导的损伤可跨多个细胞周期持续存在。

图 3　Fig. 3。图3比较了不同组织中MAV和PVV的数量和突变特征。a显示支气管和肝脏的MAV率远高于HSPC（0.36和0.22 vs 0.02每节点）。b显示支气管和肝脏MAV以T>C/T>A为主，与SBS16预测特征相似。c显示成人HSPC PVV特征与SBS19高度匹配（余弦相似度0.96）。d显示PVV具有转录链偏向性。e显示化疗暴露个体的PVV以T>A为主，且indel比例高。

亮点 3｜内源性损伤驱动SBS19特征

在成人HSPC中，PVV的突变特征与COSMIC SBS19高度相似（余弦相似度0.96），以CpT二核苷酸处的C>T为主，并具有转录链偏向性，提示损伤位于鸟嘌呤上。SBS19贡献了血细胞中约16%的突变，且在髓系癌症驱动基因中占10%。这表明内源性持久性损伤是血细胞突变负荷的重要来源。

图 4　Fig. 4。图4展示持久性损伤的发生时间和持续时间。a为一个可追溯至受精卵的PVV例子，系统发育树被截断至前15个突变。b显示成人HSPC中MAV和PVV在整个生命周期中稳定发生。c显示吸烟暴露的支气管上皮和化疗暴露的HSPC中损伤发生时间与暴露相关。d显示成人HSPC PVV的最小持续时间中位数为21个突变（约1.3-1.5年）。e显示C>T PVV的持续时间短于T>C PVV。f显示分离MAV的持续时间与PVV相似。

亮点 4｜损伤持续2.2年，15-25%超3年

通过近似贝叶斯计算，估计成人HSPC中持久性损伤的平均持续时间为2.2年（95%可信区间1.6-3.0年），25%的损伤持续3年以上。直接估计的最小持续时间中位数为1.3-1.5年。这些损伤在出生前即已出现，但出生后发生率更高，且在整个生命周期中稳定发生，符合时钟样过程。

图 5　Fig. 5。图5展示损伤持续时间的后验分布和链不对称性。a显示平均损伤持续时间的后验分布，峰值在2.2年。b显示化疗暴露HSPC系统发育树中，具有显著损伤分离的分支其化疗特征1的比例更高。c显示支气管上皮中具有显著损伤分离的分支其APOBEC突变比例更高。d显示APOBEC突变在染色体上的链不对称分布，约一半染色体平衡，四分之一偏向正链，四分之一偏向负链。

亮点 5｜每个HSC约携带8个持久性损伤

模拟表明，每个造血干细胞在任何时刻平均携带约8个持久性DNA损伤（95%可信区间2-16）。这些损伤在每次细胞分裂时有50%的概率产生突变，足以解释观察到的SBS19突变率。这一频率远低于8-氧代鸟嘌呤等高频损伤，但由于修复缓慢，对基因组完整性构成重大威胁。

亮点 6｜APOBEC损伤可在单细胞周期内产生

在支气管上皮中，6/16的系统发育树分支显示出显著的链不对称性，且这些分支富含APOBEC特征突变（SBS2和SBS13）。链不对称模式表明，APOBEC酶可在单个细胞周期内产生数百至数千个损伤，并通过损伤分离导致子细胞继承不同的链。这一发现挑战了APOBEC仅作用于单链DNA的传统观点。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 全基因组测序、单细胞克隆、系统发育树重建、多等位变异检测、系统发育违背变异检测
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 公开仓库 https://github.com/mspencerchapman/Prolonged_persistence_of_DNA_lesions、https://github.com/nicolaroberts/hdp；本地已克隆：hdp
• 谁该点开原文： 从事体细胞突变、癌症基因组学和DNA修复研究的科研人员，以及对突变过程建模感兴趣的生信分析师。

带走一句

系统发育树不仅能追溯细胞谱系，还能推断DNA损伤的持久性和突变过程，为理解突变负荷的来源提供了新维度。