在哺乳动物体内，体细胞的突变会在健康细胞中终生积累。这些突变是肿瘤发生的基础，并被推测是导致衰老的原因之一。目前，体细胞突变和衰老之间的直接关系尚没有得到严格的科学验证，这主要归因于在正常组织中，传统技术很难检测单个细胞中的小克隆突变。
通过将单细胞体外扩增成细胞群进行单细胞测序或单分子测序等，使得研究正常组织中的体细胞突变成为可能。近几年，人类正常组织研究为了解体细胞突变率和内源性和外源性突变过程提供了数据支撑。同时，相关研究还揭示了随着个体年龄的增长，部分人体组织是如何被携带致癌突变的细胞侵袭占据，以及这种克隆组成是如何随着年龄和疾病而改变的。但目前，领域内对其他物种体细胞突变的了解知之甚少，这大大限制了我们对跨物种突变过程多样性的认识，以及体细胞突变率的进化及其在癌症和衰老中的作用等难题的解析。
近日，英国Sanger研究所等单位的联合研究团队在Nature发表了题为“Somatic mutation rates scale with lifespan across mammals”的研究文章。研究团队通过对来自16个物种56个哺乳动物个体的208个肠隐窝上皮细胞进行单细胞全基因组测序分析，首次从体细胞突变随年龄增长而积累的角度，对不同寿命、体型的十余种哺乳动物进行了系统比较分析。
研究表明，所有物种的体细胞突变主要由内源性突变过程主导，但体细胞突变率在不同物种之间差异较大，且与物种寿命呈强烈的负相关。总之，该研究数据揭示了哺乳动物的共同突变过程，并表明体细胞突变率在进化上受限，也可能是衰老的一个重要贡献因素。
文章发表在Nature
研究人员从16个物种56个个体中分离出208个肠隐窝上皮细胞，这些个体的寿命和体型都存在较大的差异：黑白疣猴、猫、牛、狗、雪貂、长颈鹿、海豚、马、人、狮子、老鼠、裸鼹鼠、兔子、大鼠、环尾狐猴、老虎。
研究人员利用激光显微切割技术从组织切片中分离单细胞，并以低输入文库制备方法进行单细胞全基因组测序。数据分析显示，体细胞单碱基替换数量在不同物种和物种内部的个体之间存在较大差异。来自狗、人、老鼠、裸鼹鼠和大鼠5个物种的测序数据分析显示，体细胞突变明显随年龄的增长而呈现线性积累。此外，在所有纳入分析的细胞中，体细胞小片段插入和缺失的数量始终低于碱基替换数量。
图1. 跨物种的体细胞突变检测结果，来源：Nature
不同的突变过程会在不同的序列上下游产生碱基替换类型和片段缺失的特征频率，通常被称为突变特征，这可以从突变谱中推断出来。研究发现，物种间的突变谱表现出明显的相似性。为了量化不同突变过程对突变谱的影响。研究人员基于贝叶斯模型进行了突变特征分解核鉴定，识别出除SBS1之外的两个突变特征，标记为SBSB和SBSC。
图2. 各物种碱基替换的突变谱和特征分析，来源：Nature
深入分析显示所有物种都具有这三种突变特征，但其影响在不同物种之间存在较大差异。例如，小鼠和雪貂的SBSC表现尤为突出，SBS1与SBSB则在大鼠或兔子中占主导。在多个物种中，通过对每个特征进行单独的线性回归分析，再次证实了上述三个特征的突变都随着年龄的增长而积累。
图3. 哺乳动物结肠突变的过程，来源：Nature
以上结果表明突变过程在物种间是相似的，但物种间的突变率差异却很大。在15个具有年龄信息的物种中，研究发现每个基因组的碱基替换率存在显著差异，例如人类每年47次碱基替换，小鼠每年796次碱基替换，片段插入频率分别为每年2.5次和158次。
图4. 突变率和预期寿命末期突变负担的比较，来源：Nature
为分析体细胞突变率、寿命和其他生活史性状之间的关系，研究团队利用生存曲线估计了每个物种的寿命。值得注意的是，研究发现体细胞突变率和物种寿命之间存在显著的负相关，即体细胞突变率与物种的寿命成反比。但在寿命结束时，每个细胞的体细胞突变数量在所有物种中都是相似的。
已有研究表明体重是已知的与寿命相关的常见混淆因素，该研究分析发现，物种间体细胞突变率的变化似乎是由寿命决定的，而不是由体型决定的。例如，长颈鹿和裸鼹鼠有相似的体细胞突变率（分别为每年99和93次碱基替换），这与它们相似的寿命一致，但是两者在成年体重方面的差异约为2.3万倍。
图5. 体细胞突变率与多种生活性状之间的关系，来源：Nature
研究人员对单一的生物过程是否可以驱动体细胞突变率和寿命之间的联系进行了分析。上述三个突变特征分析结果显示，体细胞突变率和寿命之间均存在明显的负相关，表明单一的生物过程或DNA修复途径不太可能影响体细胞突变与寿命的显著关联。此外，每个线粒体DNA拷贝的体细胞突变估计数量似乎也显示出与寿命的负相关关联。
图6. 突变亚型与物种寿命的关系，来源：Nature
综上所述，研究团队利用单细胞全基因组测序，为16种哺乳动物的体细胞突变景观提供了详细见解。虽然不同物种的饮食和生活史不同，但其体内的突变谱却十分相似。此外，该研究最显著的发现是揭示了体细胞突变率与寿命成反比，这解决了长期以来领域内对衰老的体细胞突变理论的难题。同时，该研究还有望改变我们对体细胞突变及其对进化、衰老和疾病的理解。
文章第一作者兼通讯作者Alex Cagan博士认为：“在像老鼠和老虎差异巨大的物种身上发现类似的基因变化模式是令人惊讶的。这项研究最令人兴奋的是发现了寿命与体细胞突变率成反比，这一结果表明体细胞突变可能在机体衰老中起着重要的作用。接下来我们会将这些研究扩展到更多样化的物种中，例如昆虫或植物，或许结果会很有趣。”
文章共同第一作者Adrian Baez-Ortega博士表示：“体细胞突变率的差异似乎是由寿命差异而不是体型差异来决定的。很可能每当一个物种进化出比其祖先更大的体型时，如长颈鹿、大象和鲸鱼，物种进化可能会为这个问题提出不同的解决方案。我们需要更详细地研究这些物种才能找到最终答案。”
参考资料：
1. Cagan, A., Baez-Ortega, A., Brzozowska, N. et al. Somatic mutation rates scale with lifespan across mammals. Nature (2022).DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04618-z
2.Mutations across animal kingdom shed new light on ageing，
https://www.eurekalert.org/news-releases/949380
3. Lee-Six, H. et al. The landscape of somatic mutation in normal colorectal epithelial cells. Nature 574, 532–537 (2019).
4. López, E. H. & Palumbi, S. R. Somatic mutations and genome stability maintenance in clonal coral colonies. Mol. Biol. Evol. 37, 828–838 (2020).
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