体细胞中的突变积累有助于癌症的发展，并被认为是衰老的主要生物学机制。DNA复制中产生的错误首先由DNA聚合酶的校对活性进行纠正，识别、去除不匹配的碱基。DNA聚合酶亚基的关键编码基因POLE/POLD1对于DNA复制的校对和保真至关重要，其胚系或体系突变可导致DNA修复缺陷进而引发肿瘤。已有研究证明，在一些癌症患者体细胞中，POLE/POLD1核酸外切酶结构域获得性杂合错义突变会导致校对功能缺陷，进而导致具有独特突变特征的体细胞突变负荷显著增加。在此基础上，衰老的体细胞突变理论被提出。该理论认为体细胞突变的累积，会对细胞功能产生不利的影响，是导致衰老的主要生物学机制。
近日，来自英国桑格研究所研究团队联合爱丁堡大学癌症研究中心研究团队，对具有POLE/POLD1突变的个体的正常组织和肿瘤DNA进行了测序，以研究DNA复制缺陷对癌症风险和衰老相关特征的影响。研究团队在正常成人体细胞、早期胚胎发生期间和精子中发现具有特异突变特征的突变负荷增加，证明了DNA复制缺陷会导致突变负荷增加，进而增加多种癌症风险。除了癌症风险增加外，该研究还发现具有POLE/POLD1突变的个体并未表现出明显的早衰特征，表明如果只有正常细胞的突变累积这一个影响因素不能解释衰老的一系列表型特征。该研究成果已发表于Nature Genetics上，文章题为“Increased somatic mutation burdens in normal human cells due to defective DNA polymerases”。
研究团队对14名年龄在17至72岁之间的患者进行了研究，这些患者被诊断为大肠腺瘤或大肠癌，且都携带POLE或POLD核酸外切酶结构域突变中的一种。为了解来自POLE/POLD1突变携带者正常细胞的体细胞突变率，研究人员对14名患者的正常组织进行了全基因组测序（WGS）。结果显示，POLE/POLD1核酸外切酶结构域突变携带者的多种正常细胞类型都表现出突变特征，并且体细胞SBS和ID突变率升高，表明突变负荷不是导致细胞癌变的唯一因素。此外，研究人员还对患者的癌组织进行了测序，发现SBS和ID突变率明显高于同一时间取样的同个体正常组织。以上结果表明，在具有POLE/POLD1突变的个体中，SBS和ID突变率的增加与腺瘤或癌组织的形成有关，证明了DNA复制缺陷会导致突变负荷增加，进而增加癌症风险。
图1.具有POLE/POLD1突变个体的正常细胞和肿瘤肠隐窝中SBS和ID突变负荷。来源：Nature Genetics
结直肠癌和子宫内膜癌是与POLE/POLD1突变相关的两种主要癌症类型。为了进一步研究其他细胞类型和胚胎胚层中的突变过程，研究团队使用了一种改进的双链测序技术——NanoSeq，该方法能以较低的错误率对结直肠癌和子宫内膜癌患者的各种组织片段中的单个DNA分子进行测序，量化来自组织的突变负荷和特征。在检测的组织中，研究人员发现了与POLE/POLD1核酸外切酶结构域突变相关的突变特征；同时，通过对比患者体内的多种组织，发现不同组织的突变负荷升高情况区别较大，肠隐窝和子宫内膜的突变负荷升高程度明显高于其他组织。
图2.其他组织中的POLE和POLD1突变。来源：Nature Genetics
克隆性造血（ARCH）是一种常见与年龄相关的疾病，为了研究POLE/POLD1突变引起的突变率升高对ARCH的影响，研究人员对POLE/POLD1突变携带者的血样进行了测序。结果显示，虽然全基因组突变率升高，但具有POLE和POLD1突变的个体并没有显示出年龄相关表型频率的增加。此外，通过对多个POLE/POLD1突变携带者进行研究，发现除了结直肠、子宫内膜等肿瘤的发病率增加外，多个POLE/POLD1突变携带者的表型信息并没有显示出明显的与早发性衰老或年龄相关疾病的一系列特征。
综上所述，该研究发现大多数正常人类的细胞都能够耐受高SBS和ID突变率，并基于此证明了体细胞突变的累积可能不是导致衰老的唯一原因，打破了目前的衰老理论观点。另外，该研究还对POLE/POLD1外切酶结构域突变个体进行了深入的研究，分析了突变负荷增加所导致的广泛生物学后果，对衰老的发病机制提出了新的见解。
1. Yao, J., Gong, Y., Zhao, W. et al. Comprehensive analysis of POLE and POLD1 Gene Variations identifies cancer patients potentially benefit from immunotherapy in Chinese population. Sci Rep 9, 15767 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-52414-z
2. Mur, P., García-Mulero, S., del Valle, J. et al. Role of POLE and POLD1 in familial cancer. Genet Med 22, 2089–2100 (2020). https://doi.org/10.1038/s41436-020-0922-2
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