癌症聚集性突变图谱揭示了ecDNA的APOBEC3突变模式-行业动态-杭州瀚因生命科技有限公司-瀚因生命

文章背景

聚集性体细胞突变（Clustered somatic mutations）在癌症基因组中很常见，多种内源性和外源性因素导致了聚集性体细胞突变，包括二手烟、紫外线暴露等。既往研究揭示了几种类型的聚集性突变，包含双碱基替换（DBSs），多碱基替换（MBSs），弥漫性超突变（omikli）等。APOBEC3酶，通常负责抗病毒反应，能够以单链DNA作为底物而引发omikli和长链协调事件（kataegis）。而已知癌症基因的扩增可驱动许多类型癌症的肿瘤发生，染色体外DNA（ecDNA）与癌基因的高表达、高转移和高异质性相关。EcDNAs的循环性质及其快速复制模式，使其具有成为APOBEC3诱变底物的可能并促进含有ecDNA的肿瘤的进化。

研究设计

本文纳入了30种癌症的2,583个全基因组测序结果，绘制出癌症基因组中所有的突变，对包括碱基替换、插入缺失（indels）、omikli、kataegis等多种形式聚集性突变进行全面描述，探索了聚集性indels和kataegis、ecDNA中聚集性突变相关机制及其临床效用。

主要结果

癌症中的聚集性突变在驱动事件中高度富集聚集性，并与差异基因表达和总生存期的变化相关；聚集性突变可通过不同的突变过程发生：DBSs是由至少12个突变过程引起的，而大多数MBSs是由吸烟或暴露于紫外线引发的。仅16.2%的omikli事件与APOBEC3突变模式相匹配；而76.1%Kataegic事件与活化诱导脱氨酶（AID）和APOBEC3突变模式相关。ecDNA中的kyklonic事件以APOBEC3模式为主，且在31%的ecDNA上观察到了多个不同的kataegis事件。研究揭示了人类癌症中聚集性突变过程的多样性以及APOBEC3在频发突变和促进特定ecDNA群体的致癌进化中的作用。

1、聚集性突变图谱

图1：人类癌症中聚集性突变图谱

分析全基因组泛癌症分析（PCAWG）项目2，583个全基因组测序结果，共发现1，686，013个聚集性单碱基替换和21,368个聚集性indels。聚集性替换中DBSs、MBSs、omikli和kataegis事件分别为45.7%、0.7%、37.2%和7.0%，其在癌症类型内和不同癌症类型之间分布差异很大。聚集性indels在不同癌症类型之间同样具有不同模式。而包含高水平聚集性替换或聚集性indels的全基因组测序卵巢癌中观察到较好的总生存率；相反，包含聚集性替换的全外显子组序列肾上腺皮质癌具有较差的总生存率。

2、聚集性突变的特征

通过对每类聚集性突变的突变特征分析，识别了12个DBS，5个MBS，17个omikli，9个kataegic和6个聚集性indels的特征。将DBS和MBS划分为不同的类别，发现许多过程可导致DBS的发生，而大多数MBS是由吸烟或紫外线暴露产生的。

既往研究中omikli事件被归因于APOBEC3的活动。在本研究2,583个癌症基因组中，仅16.2%的omikli事件与APOBEC3突变模式相匹配，这表明各种其他过程同样可以引起omikli。同时揭示了吸烟(SBS4)、clock-like mutagenesis(SBS5)、紫外线（SBS7）、活化诱导脱氨酶（AID）直接和间接突变(SBS9和SBS85)以及不同癌症类型中具有未知病因的多种突变（SBS8、SBS12、SBS17a/b、SBS28、SBS40和SBS41）引起的omikli事件。

Kataegis是由多种突变过程产生的，包括与non-canonical AID活动和APOBEC3脱氨酶家族有关的突变模式；15%的kataegis与clock-like mutagenesis（SBS5）相关，另外8.9%的kataegis事件包含了紫外线(SBS7a/b)、AID间接突变（SBS9）以及未知病因（SBS37）有关的突变模式。

图2：聚集性事件的突变过程

3.聚集性驱动突变图谱

所有碱基替换中，出现了3.7%的聚集性替换和0.9%的聚集性indels事件，其分别贡献了8.4%碱基替换和6.9%的indels驱动因素。其中Omikli占所有聚集性碱基替换驱动因素的50.5%，而DBS、kataegis和其他聚集性突变则分别贡献了14%-18%。与肿瘤抑制因子相比，基因之间和不同癌症之间的聚集性驱动替换差异较大，在癌基因中聚集性事件富集了2.4倍。且不同聚集性突变事件的作用不同基因中的驱动替换而有所差异。

此外，与具有非聚集性事件的个体相比，在BRAF中具有聚集性突变的个体具有更好的总体存活率。相反，相较于基因中具有非聚集性突变的个体，在TP53和EGFR中具有聚集性突变的个体表现出更差的总体存活率。

图3：人类癌症中聚集性驱动突变图谱

4.Kataegic事件及局部扩增

36.2%的kataegic发生在结构断点10kb以内，但没有发生在局部扩增中。此外，有21.8%的kataegic事件发生在局部扩增或局部扩增结构断点的10 kb范围以内：circular ecDNA为9.6%，linear rearrangements为6.3%，heavily rearranged为3.3%，breakage–fusion–bridge cycles（BFB）为2.6%。另外，有42.0%的kataegic事件既不在结构断点的10kb范围内，也不在局部扩增范围内。而与ecDNA相关的kataegis（kyklonas，希腊语“旋风”）与最近的断点的平均距离约为750kb，其中仅有0.35%的kyklonic事件发生在ecDNA上或断点的10kb内。这些结果表明，由于ecDNA形成过程中发生了结构重排，kyklonic不太可能发生。在大多数癌症类型中，在结构变异附近没有发现DBS、MBS、omikli以及其他聚集性事件。

图4：Kataegic和局部扩增

5.ecDNA中的kyklonic诱变

超过30%的ecDNAs具有一个或多个相关的kyklonic事件，这些ecDNA区域内的突变以APOBEC3模式为主，其特征在于TpCpW环境中链协调的C>G和C>T突变。此外，与APOBEC3A首选的YTCA背景相比，kyklonic事件在APOBEC3B首选RTCA下表现出C>T和C>G突变的富集（下划线表示突变的核苷酸），表明APOBEC3B很可能在环状DNA的诱变中起重要作用。与没有ecDNA的样本相比，在ecDNA的癌症中观察到APOBEC3B的表达增加。而在含有ecDNA的癌症中，在有和没有kyklonic事件的样品之间APOBEC3A或APOBEC3B的表达均未观察到显著差异。

图5：ecDNA中的kyklonic诱变

与其他形式的结构变异相比，在环状ecDNA区域中观察到更多的APOBEC3 kataegis频发事件。kyklonas的平均突变型等位基因频率（VAF）显着低于非ecDNA相关的kataegis以及和所有其他聚集事件。此外，具有高VAF的kyklonic更常见于含有已知癌基因的ecDNA上，这表明存在正选择机制。大约7.2%的kyklonas事件发生在肿瘤内ecDNA群体进化早期（VAF>0.80），而大多数kyklonic事件（约82.5%；VAF < 0.5）可能发生在通过APOBEC3频发诱变进行克隆扩增后。

在已知的癌症相关基因（包括TP53、CDK4和MDM2等）内或附近，kyklonic增加，且在多种癌症中被观察到。值得注意的是，与没有任何已知癌症相关基因的ecDNA区域相比，具有已知癌症相关基因的ecDNA区域具有显着更高数量的kyklonic和kyklonas突变负荷。41%的kyklonic事件是在已知癌症驱动基因的足迹中发现的，而这些富集并不能通过总体突变以及样品中整体聚集性突变的增加来解释。总体而言，这些结果揭示了人类癌症中聚集突变过程的多样性以及APOBEC3诱变在recurrent突变和助长特定ecDNA群体的致癌进化中的作用。

图6：ecDNA的APOBEC3超突变

6.ecDNA中kyklonic事件的验证

通过对3个独立队列（包括61例肉瘤、280例肺癌、186例食管鳞状细胞癌）中Kyklonic事件的分析，发现替换和indels的聚集性突变率与PCAWG中报告的发生率相当，31%的ecDNA样本在肉瘤中表现出kyklonas，14%出现在食管癌中，28%在肺癌中表现出kyklonas，与在PCAWG中观察到结果相似。且约有30.1%的kataegis发生在验证队列中最接近的断点的10 kb以内，而PCAWG中观察到的比率约36.2%，两者较为相似。Kyklonic突变主要与APOBEC3特征相关。kyklonic在肉瘤、食管癌和肺癌中复发，分别有45%、28%和46%的ecDNA样本中包含多个不同的kyklonic事件。总之，在单个ecDNA上发生的多种kyklonic事件验证了ecDNA的频发APOBEC3超突变。

图7：ecDNA中kyklonic事件的验证

研究结论

癌症中的聚集性突变可以通过不同的突变过程发生，其中AID和APOBEC3脱氨酶的作用最为突出。许多突变过程可导致omikli以及kataegis事件。聚集突变在驱动基因中高度富集，并与差异基因表达相关，促使其与癌症发展和癌症进化有关。值得注意的是，TP53、EGFR和BRAF中的聚集性突变与总生存期的变化相关。大部分kataegis事件发生在检测到的具有突变模式的SV断点的10 kb内，表明了APOBEC3的活性。在环状ecDNA上观察到了多个不同的kataegic事件，提示APOBEC3频发诱变。含有已知癌症基因的ecDNA表现出正选择和kyklonic超突变，可能在加速癌症发展的过程中发挥了关键作用。揭示了人类癌症中聚集性突变过程的多样性以及APOBEC3在频发突变和促进ecDNA进化中的作用。同时需对大规模临床注释的全基因组测序癌症进行进一步研究，以充分了解聚集性突变和kyklonas的临床意义。

参考文献：Bergstrom, E.N., Luebeck, J., Petljak, M. et al. Mapping clustered mutations in cancer reveals APOBEC3 mutagenesis of ecDNA. Nature 602, 510–517 (2022).

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瀚因生命团队具有丰富的临床组学测序技术、及生物信息学算法开发经验，相关研究发表在Nature, Cell, Nature Methods,Cancer Cell,GenomeBiology等高水平学术期刊。团队自2020年五月成立以来，已建立合肥实验中心和杭州生信中心双平台，全力打造围绕eccDNA血液检测的泛癌早筛/伴随诊断/预后跟踪等肿瘤全周期产品管线。

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