【Nature】癌症机制新突破：APOBEC3与内源性癌症突变

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肿瘤来自基因突变，这是人体衰败的主因，也是人类进化的根源。人体内外因素一直驱动着肿瘤基因组发生体细胞突变，并在这一过程中形成了具有特征性的突变标签集。我们今天的主角 APOBEC3就与癌症中一些最普遍的突变特征有关。

载脂蛋白 B mRNA 编辑酶催化多肽 (apolioprotein B mRNA-editing enzyme catalytic polypeptide, APOBEC) 家族是一类高效的胞苷脱氨酶，能够特异催化基因组中的胞嘧啶变为尿嘧啶（C>U），其转录可被促炎症细胞因子和趋化因子激活，并在人体的固有和获得性免疫机制中发挥重要作用，在慢性炎症条件下，APOBEC 家族表达异常，会误伤人类基因组引发 APOBEC 突变特征。

早期对肿瘤基因组突变模式的研究表明，胞嘧啶突变通常存在于 TCN（N代表ATCG中任意核苷酸）序列部分，而通过来自肿瘤基因组的单碱基替换（single-base substitutions，以下简称SBS）可显示出 APOBEC 相关胞嘧啶突变的两类不同突变特征：非聚集型（SBS2 和 SBS13）和聚集型（kataegis 和 omikli）。

目前的研究表明，已在 超过 70% 的肿瘤类型和约 50% 的肿瘤基因组中发现了 APOBEC 相关的突变特征，特别是在乳腺癌和膀胱癌中尤为突出。但是，内源性 APOBEC3 与人类癌症基因组突变特征之间的关系尚不明晰。

近日，美国 MIT 和哈佛大学的 Mia Petljak 等人在 Nature 上发表了文章 Mechanisms of APOBEC3 mutagenesis in human cancer cells，建立了二者之间的联系。

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肿瘤细胞中 APOBEC 突变
为了研究 APOBEC3 诱变的机制，作者从一系列癌细胞系中分别敲除了 APOBEC3A 和 APOBEC3B 基因，发现这些癌细胞系随着时间的推移都产生了 APOBEC3 相关突变，并且 APOBEC3B 是靶向线性和发夹结构的胞嘧啶脱氨酶的主要来源。

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细胞系的突变以胞嘧啶碱基的全基因组替换数(y轴)表示，被划分为48种可能的三核苷酸序列

另外，作者还进一步分析了 APOBEC3 相关的突变特征。对来自 251 个乳腺癌、膀胱癌和淋巴瘤癌细胞系克隆的全基因组序列突变特征的分析表明，APOBEC3A 的敲除减少了 APOBEC3 相关的 SBS2 和 SBS13a/b 突变特征。

与之相反，尽管 APOBEC3B 在所有细胞系中与 APOBEC3A 相比具有更高的表达和脱氨酶活性，但APOBEC3B 的敲除并没有显著减少 SBS2 和 SBS13a/b 类型突变，反而增加了 APOBEC3A 蛋白水平、活性和 APOBEC3A 介导的诱变。

另外，作者还通过研究肿瘤细胞中 APOBEC3 对 kataegis（聚焦链协同超突变）和 omikli（弥漫性超突变）的影响最终确定了APOBEC3A 是突变的主要驱动因素，这些数据都表明了内源性 APOBEC3 脱氨酶参与人类癌细胞的突变。

APOBEC3 突变机制
APOBEC3 相关突变主要为 SBS2 和 SBS13 a/b。SBS2 的特征是 C>T 突变，而 SBS13 的特征是 C>G 和 C>A 突变，APOBEC3 生成的尿嘧啶的加工过程可能决定了产生的突变类型。而作者认为 尿嘧啶的复制可能导致 C>T 突变，从而导致 SBS2。

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从 SBSs 中提取的 APOBECs 相关突变特征片段

而通过糖基化酶（如UNG或SMUG1）切除尿嘧啶，然后再进行 TLS（translesion DNA synthesis），可能导致 C>T、C>G 和 C>A突变，从而产生 SBS 2 和 SBS 13 的组合。为了直接评估 UNG 和 SMUG1 对癌细胞中 SBS2 和 SBS 13a/b 产生的影响，研究人员在 BC-1 细胞中表达 UNG-GFP、在 BT-474 细胞中 CRISPR-Cas9 删除SMUG1、在 BT-474 和 MDA-MB-453 细胞中删除 UNG。




结果表明在 BRCA 细胞系子代克隆中，UNG 的缺失降低了 TCN 环境中 C>A 和 C>G 突变的相对比例，而 BC-1 细胞中 GFP-UNG 的表达增加了 BC-1 子代克隆中这些突变类型的比例，SBS13a/b 突变减少，但未被消除。

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UNG 和 REV1 在癌症中 APOBEC3 突变的产生中起着关键作用

这些结果表明 UNG 将全基因组 APOBEC3 脱氨酶活性与转位突变联系了起来。UNG 的缺失导致 MDA-MB-453 细胞中 APOBEC3 相关突变和其他整体聚集突变的减少，但 UNG 活性与聚集突变的精确机制还需要进一步研究。

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APOBEC3脱氨酶驱动人类癌细胞中聚集型突变的获得

而 SMUG1 缺失会导致 TCN 环境中 C>A 突变相对于 C>G 突变比例更高， SBS13b 增加。联系到在 UNG 敲除的子代克隆中观察到的持续 C>G/ A突变，以上这些结果表明 SMUG1 可能切除 APOBEC3 介导的尿嘧啶碱基， 且 SMUG1 可以代替 UNG 修复 U:G 基因组缺口。

同时，为了评估 TLS 对 SBS 2 和 SBS13a/b 的影响，作者还在 BRCA 细胞系中构建了 REV1 特异性敲除细胞，发现 REV1 敲除子细胞中 SBS2 和 SBS13a/b 突变减少。

在 REV1 敲除子基因中 C>G 比例的降低可能反映了 REV1 脱氧胞苷转移酶活性的丧失，而 SBS2 和 SBS13a/b 的负担减少可能是由于 REV1 失去了作为其他 Y 家族聚合酶协调的支架的非催化作用。这些结果直接将REV1与人类癌细胞基因组中 APOBEC3 介导的突变特征的产生联系起来。除了 APOBEC3 相关突变外，在来自两个 BRCA 细胞系的 REV1 敲除子细胞中，发生在 APOBEC3 相关序列之外的其他 SBS 和聚集突变的负担分别减少。这些观察结果表明REV1 调节了各种 SBS 类型。

此外，REV1 敲除细胞的增殖、克隆存活、APOBEC3A 蛋白水平或 APOBEC3 催化活性下降并不一致，REV1 敲除细胞也没有表现出细胞周期动力学改变或 DNA 损伤增加。

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REV1敲除细胞APOBEC3A蛋白水平或APOBEC3催化活性降低

而且对带有和不带有 APOBEC3 特征突变的细胞系进行的全基因组 Drop-out CRISPR 筛选分析未能显示在含有 SBS2/13 突变的癌细胞系中对 REV1 的依赖性增加。这些结果表明，REV1 在 SBS2 和 SBS13 的产生中发挥了关键作用，并且内源性 REV1 活性有助于基因突变。

总结
APOBEC3 家族的胞嘧啶脱氨酶与癌症中一些普遍的突变特征有关，但内源性 APOBEC3 与人类癌症基因组突变特征之间的因果关系尚未明确。

作者通过对人类肿瘤细胞的多重关联研究发现 APOBEC3A 的缺失是 APOBEC3 突变的主要驱动因素，其缺失可导致 APOBEC3 相关突变水平降低；而 APOBEC3B 的缺失会增加 APOBEC3A 的蛋白水平、活性以及 APOBEC3A 介导的突变。

此外，研究数据表明，UNG 和 REV1 依赖性 TLS 与人类肿瘤细胞中 APOBEC3 诱导的突变有关，尿嘧啶糖基化酶 UNG 是 APOBEC3 介导的转化所必需的，内源性 REV1 的缺失会降低细胞整体突变水平。

▎陶术生物内容团队编辑

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