慢性淋巴细胞白血病中线粒体DNA突变

白癜风专家郑华国 http://disease.39.net/bjzkbdfyy/170621/5477291.html

HarnessingMitochondrialMutationstoATACClonalEvolutioninCLL（利用线粒体突变促进CLL中ATAC克隆进化）

癌症表现为单个细胞的克隆扩张，通过获得体细胞遗传畸变而转化。转化后，遗传和表观遗传学水平的持续改变在癌细胞群中产生亚克隆，形成肿瘤进化的基质。亚克隆在各种选择压力下（包括与组织生态位、宿主免疫系统和癌症治疗等的相互作用）的适应性变化，会导致种群组成在解剖空间和时间上发生变化。利用来自不同位置（原发性和转移性）和不同时间的样本，对肿瘤进化和肿瘤微环境的共同进化进行检查，有可能揭示关键（epi）基因改变，这些改变是疾病轨迹中关键事件的基础，如转移和对一系列常规和靶向治疗的耐药性。这项检查的主要方法是将生物信息学工具应用于大体积肿瘤测序，以推断克隆亚结构。这些方法可以利用一系列体细胞畸变，包括突变、拷贝数状态和表观遗传学改变。最近出现的单细胞测序有望更直接和准确地读出肿瘤的演变。然而，来自典型二倍体细胞的核基因组DNA的有限可用性为确定突变的存在与否提供了技术挑战。

在本期中，Penter及其同事证明了线粒体DNA（mtDNA）突变作为体内自然发生的条形码在9例慢性淋巴细胞白血病患者转座酶可及染色质（mtscATAC-seq）单细胞分析实验中随时间追踪克隆进化的效用。线粒体基因组以高拷贝数存在于细胞中，能够在单个细胞中检测线粒体DNA突变。与正常细胞中的细胞核DNA相比，线粒体DNA的自发突变率较高；它们通常是非编码的，通常不在选择性压力下。这些突变通常是异质性的，这意味着突变在每个细胞中以%的变异等位基因频率发生，并且可能在细胞分裂期间不对称遗传。在这里，跨时间点检测到的亚克隆线粒体突变被用作条形码，从而能够从mtscATAC-seq和整合RNA测序（RNA-seq）中识别染色质可及性的亚克隆变化。这些实验揭示了在一系列选择压力下肿瘤演化的不同模式。

在mtscATAC-seq实用性的一个显著例子中，Penter及其同事追踪了一名患者在10年期间五个治疗前和治疗后样本中CLL亚克隆的演变（图1）。在观察等待初始阶段（W/W）采集的两个样本中，观察到的线粒体异质性（由Ga突变定义）保持一致，染色质可及性图谱也保持一致。然而，在基于氟达拉滨的化疗方案（FCR前）之前的疾病进展样本中，一个独特的亚克隆群体中出现了一个新的异质性突变（Ca），该亚克隆群体缺乏显性W/W亚克隆的Ga突变。这个新出现的亚克隆也显示了染色质可及性的独特模式。在随后的缓解期内，既没有检测到显性GA亚克隆，也没有检测到新出现的CA亚克隆，但在复发后，GA亚克隆仍然无法检测到，而CA亚克隆成为显性。与FCR前亚克隆相比，该复发显性亚克隆在染色质可及性方面表现出更极端的变化，包括已知B细胞恶性肿瘤相关基因RGS1、ICOS和TNIK的基因活性增加。通过整合单细胞RNA-seq数据，作者证明了染色质可及性增加与这些基因转录物丰度增加之间的关联。作者还证明，通过大量全外显子组测序确定的体细胞突变遵循的克隆进化推断模式与通过mtscATAC-seq确定的线粒体突变亚克隆观察到的模式一致。这些结果证明了这项技术在描述与疾病进展、治疗和复发相关的非遗传特征的时间亚克隆动力学方面的能力。

图1Penter及其同事在文章中对CLL1患者进行的mtscATAC-seq实验的简化示意图。在这一系列中，通过出现不同的线粒体DNA突变Ca，在预处理样本中识别出复发显性亚克隆。通过单细胞ATAC-seq和RNA-seq，识别出不同的亚克隆模式，包括拷贝数变化、染色质可及性和转录物丰度，并与线粒体DNA突变定义的亚克隆相关。

Penter及其同事通过对另外8例具有不同临床轨迹的CLL患者进行连续活检，进一步描述了拷贝数和染色质可及性的克隆动力学。在接受FCR化疗或异基因干细胞移植治疗的患者中，该治疗引发了与多年后复发时出现新亚克隆相关的强大群体瓶颈。这些亚克隆的特征是在复发时获得线粒体突变和拷贝数变异（CNV）。在一名患者中，其疾病经历了组织学转化[Richter综合征（RS）]，在转化前CLL样本中可以区分出两个亚克隆群体。然而，在转化后，一个亚克隆变得不可检测，而在外周血和淋巴结活检中，含有另一个定义mtDNA突变的克隆的细胞比例增加。RS活检进一步证明，相对于CLL活检，基因组复杂性增加，scATACseq显示POU2F转录因子（TF）基序的可及性显著增加，同时AP-1TF基序的可及性降低。对于已知对B细胞发育有影响的基因，其scRNA-seq图谱的变化支持了这种转化调控体的戏剧性重组。相比之下，在接受长期伊布替尼治疗的患者中，考虑到线粒体DNA突变和CNV，mtscATAC-seq在一段时间内几乎没有表现出克隆进化。然而，伊布替尼治疗导致NFKB1基序可及性持续降低，并改变了MS4A1和MIR17HG等基因的表达，其中一名患者在服用伊布替尼期间复发，其中一些特征恢复到基线水平。总的来说，这些数据与已知的CLL肿瘤在各种选择压力下的进化模式一致（68），并证明了线粒体DNA突变条形码识别的克隆模式的保真度。mtDNA突变条形码的另一个有趣用途是对这些患者中的非恶性细胞群进行表征，这也可以用于识别在肿瘤微环境中具有潜在原癌和抗肿瘤活性的细胞群的克隆扩增。

CLL是突出使用mtDNA突变作为自然发生的条形码的优势的理想癌症，因为随着时间的推移，可以很容易地获得高纯度样本，并且与其他癌症相比，基因组包含相对较少的基因畸变，通常缺乏主要的基因组不稳定性（9）。需要确定这些条形码在更复杂肿瘤中追踪亚克隆的性能。这种方法的一个主要优点是，与使用靶向扩增策略的技术相比，不需要对单个肿瘤的突变情况有先验知识。然而，克隆的分辨率取决于具有明显核遗传畸变的新兴克隆中线粒体DNA突变的发生。与体外实验中以受控方式引入的合成条形码不同，线粒体DNA突变条形码以不可预测的方式出现。当它们随机出现时，这些突变的时间可能与决定克隆适合度的体细胞核遗传畸变的获得不同步。因此，这些条形码可能会过度或低估克隆的复杂性，这取决于核体细胞突变获取和选择的动态。此外，它们作为条形码的效用是基于mtDNA突变不受选择压力的前提下预测的，这取决于假定的对克隆适合度的贡献不足。最后，线粒体在细胞之间的传递是复杂的，可能会混淆克隆谱系推断。虽然克隆适合性的机制研究最好包括确定单个细胞中所有形式的（epi）遗传畸变，但在单细胞水平上直接检测体细胞核突变的能力目前还不发达。此外，分离的单细胞RNA-seq还没有被证明是追踪体细胞突变的可靠来源。正如随附论文所示，在条形码单细胞内检测染色质可及性和拷贝数改变的能力是一项强大的技术。将从大量肿瘤测序中生物信息学推断的克隆结构与通过线粒体DNA条形码在一系列癌症中估计的克隆结构进行比较，可能会揭示这些方法的相对优势和劣势，并允许进一步进化用于批量测序解卷积的工具。将批量测序的体细胞突变数据叠加到使用mtDNA条形码确定的标记克隆结构上的生物信息学工具，将显著增强这两组数据在确定癌症转移、进展和治疗耐药性的遗传和非遗传机制方面的效用。