Science文章：犬类传播性生殖器癌的分布和历史

来源：Deep Omics

文章题目：Somatic evolution and global expansion of an ancient transmissible cancer lineage

发表时间：2019年8月

期刊名称：Science

PMID号: 31371581

关键词：犬类传播性生殖道肿瘤（CTVT），癌症突变谱系，系统发育谱系，癌症进化研究

      癌症居然是可以传播的！这里的传播跟传染不一样，传染的疾病一般是由微生物等引起的，而传播的癌症却不是由微生物引起的。目前自然界中已发现的可以传播的癌症共有八种，但没有一种会传播到人身上，所以大家不用担心。

      这次分享的文章是关于犬类传播性生殖器癌（CTVT）的研究。CTVT是数千年前出现的癌症谱系，癌细胞通过犬科的性接触而在宿主之间传播。一般的癌细胞随着宿主的死亡而消失，进化过程不超过百年。

然而CTVT细胞却可以从一个个体传播到另外一个个体，得以续命， 进化过程可以长达几千年之久。可以把所有犬类动物想像成一个跨越时间和空间的生命体，而CTVT癌细胞只是在这个生命体的不同部位发生了转移。

几千年前CTVT癌细胞诞生于一只犬的身上，很巧获得了无性繁殖的能力，也有传染力。狗的染色体有78条，而这种癌症细胞的染色体条数大概有57-64条，所以几乎可以认为这种细胞是另外一个物种。

CTVT参考基因组的文章已经在2014年的Science期刊上发表[1]，第一篇群体遗传学的文章在Genome Research于2016年发表[2]，虽然该项目进行了全基因组测序，但是其分析远没有今天分享这篇文章精彩。本文使用546个CTVT外显子构建出时间系统发育谱系，描述其全球扩张情况，并由此识别出CTVT的高度环境特异性突变过程。

研究人员发现CTVT几乎没有晚期阳性选择，并且只在必需基因(essential genes)上检测到阴性选择。研究结果解释了存活千年的CTVT如何随着环境发生变化，并表明中性遗传漂变是癌症长期演化的主要特征。

CTVT系统发育谱系

      本文对来自43个国家累计13年(2003年至2016年)的546个CTVT肿瘤样本(平均测序深度~132X)和495个CTVT肿瘤宿主的正常样本进行了外显子测序。首先，研究人员筛选出160207个体细胞突变(其中包括148030个SNV和12177个InDel)。体细胞突变筛选的条件为至少在一个CTVT肿瘤样本中检测到，且不出现在正常样本中。

      以往研究发现，发生在CpG位点的C>T突变能代表和年龄有关的时钟突变过程(clock-like mutation process)。因此，研究人员利用 [C>T]pG 体细胞突变构建了时间系统发育树(图1A)，并且估计每年每个CpG位点具有6.87×10-7个C>T突变。从图1A-B中我们看出，CTVT细胞大约6220年前在亚洲首次出现。目前大面积分布的CTVT癌细胞的祖先可以追溯到1900年前的印度，当时CTVT细胞开始产生亚型并蔓延到亚洲和欧洲的几个地方(图1B)。过去500年，也就是伴随着人类大航海的时代，这种癌得到了大面积传播(图1C)。

图1.  CTVT的系统发育和地理扩张

CTVT突变过程

      文章的第二部分是关于癌症突变特征(mutation signatures)的分析。从图2A来看，C到T的突变总体来看是最多的。研究人员使用sigfit工具将CTVT突变图谱分解为五个突变特征(图2B)。其中三个突变特征与COSMIC突变特征Signature 1，Signature 5和Signature 7高度匹配。

Signature 1和Signature 5被证明是和年龄相关联的内源性时钟突变过程，Signature 7则和UV辐射相关。本文发现的第四个突变特征和COSMIC Signature 2有81%的相似度，其被证明与APOBEC基因家族相关。

最后，研究人员在CTVT突变组中发现了全新的突变特征Signature A，其主要特点为C>T突变富集在NCC和GTCCA上(图2B-C)。从突变链特异性的角度来看(图2C)，Signature A显示出强烈的转录链偏向，非转录链上的鸟嘌呤突变更多，这表明了其致病性病变可能是受转录伴随修复(transcription-coupled repair，TCR)影响。

值得注意的是，TCC环境中Signature A的鸟嘌呤定向转录链偏向与Signature 7的胞嘧啶定向转录链偏向相抵消了，因此在CTVT突变谱中没有观察到整体转录链偏向(图2A)。

结合CTVT系统发育树，研究人员发现Signature A在大约2000年之前是高度活跃的(分支A1)，并且在第一节点之后的两个基础分支(A2和A3)中保持较低水平，最后在1000年前左右突然消失(图2C)。此外，在495个对照样本中也没有检测到Signature A。

     尽管CTVT通常发生在内生殖道内，但它有时可能从生殖器口突出或扩散到会阴皮肤，导致偶尔暴露于太阳紫外线辐射下。

研究人员发现了纬度和UV暴露(Signature 7，CC>TT突变)之间的非线性关联(图2D)，并估计出CTVT起始人群的活动纬度(图2E)。与此同时，研究人员观察到Signature 5在三个独立的肿瘤系统发育组(组别12至16，组别20和组别40)中呈现出极度活跃的表型(图2F-G)，该表型在几个南美和中美洲国家(第12至16组)中已维持约150年。

图2. CTVT的突变特

CTVT基因表达，突变负荷和选择压力

    文章也做了一些基因表达，突变负荷和选择压力的分析。研究人员发现CTVT中置换突变(substitution mutations)的发生率随着基因表达的增加而降低，外显子具有比内含子更高的置换突变，InDel突变数量与基因表达上调呈正相关。

与高度突变的人类癌症类型相比，CTVT具有巨大的肿瘤突变负荷(图3A)。在546个肿瘤组中，大约73％蛋白质编码基因携带至少一个非同义突变，约29％的蛋白编码基因带有导致蛋白质截短的突变(图3B)。

研究人员发现五个促进CTVT发生和传播的早期驱动基因：SETD2，CDKN2A，MYC，PTEN和RB1(图3C)。研究人员进一步对非同义突变与同义突变(dN / dS)的标准化比率做了统计分析(图3D)。

总的来说，研究人员不能确定CTVT晚期驱动因子，而且几乎找不到证据来表明CTVT正在继续适应其环境。dN / dS的分析表明CTVT主要通过中性遗传漂变进化(dN /dS≈1，表明近中性进化)，然而在具有已知基本功能的基因组中可以检测到对错义和无义突变起作用的阴性选择(图3D)。

图3. CTVT的突变负荷和压力选择

我们的思考

1. CTVT癌细胞可以在不同个体之间传播，也从一个侧面证明器官移植时，供体是否患癌非常值得检测， 实际上这样的供体使得受体患癌的案例已经有过报道。 

2. 人体携带的微生物和寄生虫是否可以使用文中一些类似的方法进行分析，虽然本文中的CTVT细胞诞生于宿主，而微生物并不是。 

3. 哺乳动物或者人的细胞如何获得“传播且无性繁殖”的能力？一般的癌细胞距离获得这种的能力有多远？这些问题都值得进一步探索。 

4. 文章使用外显子从进化/演化的角度做了癌症分析，全基因组数据能带来哪些新的分析角度值得探讨。

【参考文献】

1. Decker et al, Comparison against 186 canid whole-genome sequences reveals survival strategies of an ancient clonally transmissible canine tumor. Genome Res. 25, 1646-1655 (2015).

2. Murchison et al. Transmissible dog cancer genome reveals the origin and history of an ancient cell lineage. Science 343, 437–440 (2014).