【PCAWG-3】The repertoire of mutational signatures in human cance

今天继续深入PCAWG系列文章第三篇《The repertoire of mutational signatures in human cancer》；内外因素一直驱动着肿瘤基因组发生体细胞突变，在这一过程中形成了具有特征性的突变标签集；将4645例全基因数据以及19184例全外显子数据结合，全面探索肿瘤基因组的突变标签；
01PARTMutational signature analysis- 共23,829个样本，包括PCAWG的2,780例全基因组，再加上另外的1,865例全基因组和19,184例外显子；

- 一共产生了79,793,266体细胞单碱基替换(SBSs)， 814,191双碱基替换(DBSs)以及4,122,233小片段indels；
- 在signature分析中，分别独立使用了SigProfiler与SignatureAnalyzer两种方法并整合，具体方法不再赘述；

SBSs - 以嘧啶作为替换后配对碱基的代表：C>A, C>G, C>T, T>A, T>C and T>G，就是这六种基本形式；这时候再加上5'端及3'端的碱基可能性，就是4×6×4=96种基本组合 ；
- 再考虑替换碱基是否在转录区域，那就是4×6×4×2=192种组合；若将5'端及3'端2个碱基范围考虑进来，那就是1536种可能；
- https://cancer.sanger.ac.uk/cosmic/signatures/SBS展示着96种基本组合SBSs的信息，如下：  

SBS1（标签1）中96种基本形式SBSs的发生率

SBS1（标签1）中96种基本形式SBSs是否在转录区域的分布

SBS1（标签1）在不同癌种中的发生率

DBSs- DBSs的基本形式则有78种，其计算的方式较为啰嗦，这里就不再赘述，在https://cancer.sanger.ac.uk/cosmic/signatures/DBS里有详细描述；

DBS1（标签1）中78种基本形式DBSs的发生率

DBS1（标签1）在不同癌种中的发生率

Indels-Indels首先分为insertions与deletions两种，随后再根据片段的长短和所发生的区域，最终其基本形式有83种，具体可见https://cancer.sanger.ac.uk/cosmic/signatures/ID；

ID1（标签1）中86种基本形式Indels的发生率

ID1（标签1）在不同癌种中的发生率

02PARTSingle-base substitution signatures

- 不同个体，不同癌种的SBSs负荷异质性较大，如上图；其中突变负荷最大的是黑色素瘤，最小为脑星形细胞瘤；而其中肺鳞癌与肺腺癌分别位于第2，第4，总体负荷偏高；

- 总共发现67个SBSs标签，其中其中49个认为与生物起源有关（可见下图）；

- 除了SBS25以外，全部PCAWG中的SBSs标签均在COSMIC v.2数据库中找到；而SBS25既往是在经过化疗的霍奇金淋巴瘤的细胞系中被发现；

49种生物起源相关SBSs标签

- 值得注意的是，有一个以往报道标签被拆分几个新类别，例如SBS7被进一步细分4个类别，SBS7标签与紫外线相关，在黑色素瘤及皮肤鳞癌多见；这其实反映了在同一因素下，突变过程的不同阶段；

SBSs标签在不同癌种中的所占比例以及病因

- 不同SBS标签在不同癌种之间的分布差异大；

- SBS40图谱与SBS5极为相似，也导致了目前对两个标签病因未知；

- SBS31，35均与铂类化疗相关；

- 在肺癌中，常见的有SBS1（5-甲基胞嘧啶脱氨），SBS2（APOBEC），SBS4（吸烟），SBS13（APOBEC）；其中肺鳞癌中所发现的SBS标签较肺腺癌多，如SBS3，SBS17，SBS18，SBS28，SBS40；

- 另外一部分SBS标签在转录链与非转录链的分布具有差异，例如SBS4（吸烟）更多分布于转录链上，而SBS7a（紫外线）更多地分布于非转录链上；这可能与DNA损伤的切除修复作用和/或非转录链上过多的DNA损伤有关；

03PARTDoublet-base substitution signatures

在PCAWG集中，DBSs的发生率远远高于SBSs的随机相邻，这也说明了单个碱基发生替换的时候会影响着相邻的碱基；

- DBSs负荷在不同癌种的SBSs异质性比SBSs更大，范围从0~20,818；

- DBSs在计算过程中认为是SBSs的一部分，因此DBSs负荷从上至下的排名似乎无太大改变，肺鳞癌与肺腺癌同样位列于第2，第3；

- 共鉴定出11种DBSs标签；

- DBS1主要是CC>TT的突变，在黑色素瘤中即构成了SBS7a，SBS7b，与紫外线造成的DNA损伤有关（如下图所示）；

- 同样地，DBS11也主要是CC>TT的突变，但与紫外线无关且其在癌种中的分布与DBS1完全不同，DBS11与SBS2有关，主要是APOBEC活性所致；

- DBS2，以CC>AA突变为主，少量存在CC>AG与CC>AT，在肺腺癌与肺鳞癌中发生率高，由吸烟导致；

- 我们可以看到，同样是吸烟导致SBS4，其分布更集中在肺癌中；而DBS2则在多个的癌种中也有分布，这并不能单纯用吸烟来解释；既往报道中提示健康小鼠细胞上由于乙醛的暴露，同样也会产生CC>AA的突变特征，这或许可以解释上述的现象；

04PARTSmall insertion-and-deletion signatures

- 在不同癌种中，小片段的indels标签分布同样具有异质性，而肺鳞癌稍高于肺腺癌；

- 共鉴定出17种Indels标签；

- 其中ID1、ID2均发生在长胸腺嘧啶单核苷酸重复序列（≥5）中，其中ID1为T插入，而ID2为T缺失；

- 从上图可看出，Indels标签分布颇有特点；在高突变肿瘤基因组中，ID1与ID2占据Indels标签的97%，而在非高突变肿瘤基因组中则为45%，这可能是由于在长单核苷酸链在复制过程中由于新生链（ID1）或模板链（ID2）的滑脱所致；

- ID3主要是在短单核苷酸胞嘧啶重复片段（≤5-bp）发生胞嘧啶的缺失，主要由吸烟所致，多发生在肺、头颈部肿瘤中；

- 从上图可以清晰看到SBS，DBS以及ID突变标签之间的关联性，例如对于吸烟所致的突变标签包括SBS4，DBS2以及ID3，三者呈现正相关性；

- 此外，ID13主要表现为TT二核苷酸上胸腺嘧啶的缺失，主要发生在皮肤黑色素瘤中，与SBS7、DBS1正相关，由于紫外线导致；

05PARTCorrelations with age

- 这个部分主要是文字描述了与诊断时年龄极其相关的标签突变量，这也是完全符合以往的研究；这其中包括有SBS1（5-甲基胞嘧啶脱氨）、SBS5，DBS2（吸烟）、DBS4，ID1（复制滑脱、DNA错配修复缺陷）、ID2（复制滑脱、DNA错配修复缺陷）、ID5、ID8（DBS非同源端修复）；

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