长寿物种or短命物种有何不同？4种不同鼠类基因组突变分析揭示与物种寿命相关的可能因素

新一代测序在物种基因突变与寿命关系研究中的应用案例

体细胞的DNA突变与衰老相关，长寿物种比短寿物种具有更高的维持基因组序列完整性的能力。来自明尼苏达大学的研究人员使用单细胞全基因组测序分析了四种最长寿命差异最大的啮齿动物肺成纤维细胞的自发突变和博莱霉素诱导突变，结果表明长寿物种比短命物种能够更精确地修复DNA损伤。

　　

基因组不稳定——基因组发生 DNA 突变的趋势增加，是衰老的标志。已证明各种类型的突变，例如单核苷酸变异 (SNV)、小插入和缺失 (INDEL) 以及染色体畸变，会随着年龄的增长在人类和啮齿动物的不同器官和组织中积累。然而，突变积累与衰老过程之间的明确因果关系尚未确定。如果突变与衰老有因果关系，那么人们会期望找到基因组维护途径的活性与防止基因组序列缺失和物种寿命之间的相关性。以前已有对长寿命动物（即人类、奶牛和大象）细胞与短寿命动物（即鼩、小鼠、大鼠和仓鼠）细胞在紫外线 (UV) 照射后增加 DNA 修复活性的证据。然而，由于这些物种之间除 DNA 修复之外的主要系统发育、生活方式和生理差异，这些结果仍然难以解释。所研究的修复途径，即紫外线损伤的核苷酸切除修复，对白天活跃的人类和奶牛很重要，但在夜间活动的啮齿动物中则不然。系统发育距离的问题在某种程度上可以用寿命差异很大但在进化上密切相关的物种来解决。最近，一组具有不同寿命的 18 种啮齿动物物种被用于研究 DNA 双链断裂 (DSB) 修复，发现这种修复在寿命较长的物种中更有效。

DNA 修复活性的差异如何影响基因组序列的完整性？研究人员假设：与来自短命物种的细胞相比，固定剂量的诱变剂在长寿物种的细胞中诱导的突变更少。他们选择博来霉素作为诱变剂，已知该化合物会诱导小缺失和碱基替换。他们研究了系统发育接近但最长寿命差异最大的4种啮齿动物细胞的自发突变和博来霉素诱导的体细胞突变频率——它们的最长寿命差异高达 10 倍：小鼠（4年）、豚鼠（12年）、盲鼹鼠（21年）和裸鼹鼠（37年），之所以选择这些特定的啮齿动物物种，是因为可以获得相对高质量的参考基因组序列。将4种鼠类原代肺成纤维细胞与同一类型的人类细胞（最长寿命115年，组外分析）进行分析。

单细胞测序的发展使其能够准确评估每个细胞的 SNV 和小 INDEL 的频率和频谱，这里研究人员采用单细胞多重置换扩增方法进行单细胞全基因组测序，来分析来自不同寿命啮齿动物物种的细胞的自发突变、以及用不同剂量博莱霉素诱变后突变频率。他们采用这种方法大大减少了全基因组扩增过程中发生的潜在人为突变。研究人员使用 Illumina HiSeq X Ten 或 NovaSeq 平台进行单细胞全基因组测序，整个基因组的平均测序深度达到 27.6 倍。另外对大量同物种同类细胞进行测序从中鉴定的种系差异后，以此进行过滤，确定了每种细胞的体细胞自发的和诱变条件下的 SNV 和 INDEL频率。

自发的体细胞 SNV 和 INDEL 频率、以及用三种剂量的博莱霉素处理原代肺成纤维细胞的突变频率结果表明，小鼠自发突变频率明显高于任何其他物种的相同类型细胞，小鼠、豚鼠和盲鼹鼠的细胞间突变频率变异普遍高于裸鼹鼠或人类。相比来自长寿啮齿动物或人类的相同细胞，固定剂量的诱变剂通常在相对短寿的小鼠和豚鼠细胞中诱导更多的突变。动物诱变剂诱导的突变频率与特定物种的最大寿命成反比，结果表明寿命较长物种的细胞之间的突变频率比寿命较短的物种更稳定，基因组维持稳定能力更强。长寿物种确实能够以比短命物种更准确的方式修复 DNA 损伤。这么看来，研究如何维持甚至加强细胞修复DNA损伤的能力，或将成为一个重要的研究方向。