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为解决癌症中非编码超保守元件（ncUCEs）突变及功能研究不足的问题，研究人员开展 ncUCEs 在癌症中作用的研究，发现 ncUCEs 体细胞改变常见且具多样调控作用。推荐科研读者阅读，助您洞察癌症研究新方向。
在癌症研究的领域中，大多数的科研目光都聚焦在占基因组约 2% 的蛋白质编码序列以及相应 mRNA 的表达变化上。像是全外显子测序（WES），它让我们对蛋白质编码序列中的突变谱、正常细胞中的突变频率以及癌症驱动突变等有了不少了解。然而，那占据基因组约 98% 的非编码 DNA 区域，虽然包含着众多调控区域，却像是被遗忘的角落，对其体细胞突变的研究少之又少，这些突变在癌症发生发展中的作用也几乎是一团迷雾。
国际癌症基因组联盟（ICGC）和癌症基因组图谱（TCGA）开展的全基因组泛癌分析（PCAWG）项目，对大约 2500 个人类癌症样本进行了全基因组测序（WGS）数据分析，发现了大量的体细胞点突变和插入缺失突变。但即便如此，仍有大约 10% 的癌症没有检测到驱动突变，而且非编码区域庞大的搜索空间和复杂的基因组元件组成，使得确定这些区域的关键体细胞改变变得异常困难。
就在这样的研究困境下，人们发现了超保守元件（UCEs）。这些 UCEs 在哺乳动物中高度保守，原本被认为在普通人群中变异极小。可后来有研究发现，一些 UCE 序列变异居然和人类疾病有关联。这就引发了科学家们的思考：那些在癌症研究中还未被探索的非编码 UCEs（ncUCEs），会不会隐藏着癌症发展的关键密码呢？
为了揭开这个谜底，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《Science Advances》期刊上发表了题为 “Mutations in phylogenetically ultraconserved elements drive cancer through diverse regulatory mechanisms” 的论文。他们通过一系列研究，得出了令人瞩目的结论：ncUCE 体细胞改变在癌症中很常见，而且特定的 ncUCEs 在癌症中发挥着多样的调控作用，这一发现为癌症研究开辟了新的方向，意义重大。
研究人员在这项研究中用到了几个关键技术方法。他们对超过 3000 名癌症患者的全基因组和靶向 UCE 测序数据集进行分析，从海量数据中挖掘 ncUCEs 的突变信息；运用多重 CRISPR 敲除筛选技术，在结直肠癌细胞中探究 ncUCEs 的功能；还通过体内外实验，进一步验证 ncUCEs 的作用机制。
下面让我们一起来看看具体的研究结果。
ncUCEs 在癌症中频繁发生突变
研究人员选取了人类基因组中 13,736 个 UCEs，这些 UCEs 长度都超过 100bp，并且在至少三种胎盘哺乳动物中完全相同。通过分析 1000 基因组计划中的单核苷酸多态性（SNP）数据，他们发现 UCEs 的 SNP 密度明显低于全基因组和外显子组。接着，研究人员分析了 22 种癌症类型的 2449 个原发性肿瘤的 WGS 数据，结果在 10,090 个（73.46%）UCEs 中鉴定出了 24,039 个体细胞突变。而且，ncUCEs 的突变率比编码 UCEs 更高。进一步研究发现，ncUCEs 的突变在不同癌症类型中差异很大，比如结直肠癌（CRC）的 ncUCE 突变率就很高。通过分析突变率与肿瘤发生机制的关系，研究人员发现常见的突变机制会影响 ncUCEs 的体细胞突变模式，就像它们影响全基因组或外显子组一样。此外，研究人员还通过突变负担测试和模拟测试，找到了几个可能的 ncUCE 驱动突变，这表明一些 ncUCEs 在癌症发展中可能起着关键作用。
全基因组 CRISPR 筛选确定具有潜在功能影响的突变 ncUCEs
研究人员想知道 ncUCEs 在癌症中到底有什么功能，于是他们把目光聚焦在两个方面：一是作为增强子调节附近基因的发育表达，二是参与染色质重塑。他们发现，体内证实的增强子 ncUCEs 比那些没有被体内证实的潜在增强子 ncUCEs 突变更多。为了直接评估 ncUCEs 的表型影响，研究人员使用了多重 CRISPR AsCpf1 敲除文库，在三种结直肠癌细胞系中对 2247 个突变的 ncUCEs 进行了增殖筛选。结果，他们鉴定出了 35 个 ncUCEs，这些 ncUCEs 大多位于基因间区域（IGRs）和内含子中，而且它们更倾向于成为附近编码基因的调节因子。
UCE_11311 在体外起增强子作用
在筛选出的 35 个 ncUCEs 中，UCE_11311 引起了研究人员的特别关注。UCE_11311 位于 ARID1B 的一个内含子中，ARID1B 是人类 SWItch/Sucrose Non-Fermentable（SWI/SNF）染色质重塑复合物的成员。通过分析组蛋白修饰信号，研究人员发现 UCE_11311 是 ARID1B 的增强子。为了进一步验证，他们构建了 UCE_11311 缺失的细胞系，结果发现 ARID1B 的表达明显下降，细胞增殖和集落形成能力增强。这表明 UCE_11311 作为肿瘤抑制因子 ARID1B 的增强子，其缺失会导致促癌表型。
UCE_2272 在体外起沉默子作用
受到 UCE_11311 研究结果的启发，研究人员继续探索其他 ncUCEs 的功能。UCE_2272 进入了他们的视野，这个 UCE 在附近区域有几个编码基因，而且它的组蛋白修饰信号显示它与转录抑制有关。研究人员通过分析 DepMap CRISPR-Cas9 敲除筛选数据，发现 RPS13 基因对结直肠癌细胞系的增殖影响最大，而且 RPS13 在结直肠癌中显著过表达。接着，他们敲除 UCE_2272 后发现，RPS13 的表达明显增加，细胞增殖和集落形成能力也增强了。这说明 UCE_2272 是潜在致癌基因 RPS13 的转录沉默子。
UCE_11311 和 UCE_2272 在体内的功能验证
在体外实验取得一系列成果后，研究人员想知道这些结果在体内是否同样成立。于是，他们将 UCE_11311 敲除、UCE_2272 敲除的细胞以及野生型对照细胞分别接种到裸鼠体内。结果发现，UCE_11311 敲除和 UCE_2272 敲除的细胞形成的肿瘤体积和重量都明显增加，而且肿瘤中 ARID1B 和 RPS13 的表达水平也发生了相应的变化。这进一步证实了 ncUCEs 的体细胞改变可以通过增强子或沉默子活性促进体内肿瘤的发生。
ncUCE 突变影响 miR-142 的加工和表达
研究人员还发现，ncUCEs 的一些体细胞突变发生在与 miRNA 基因重叠的区域。其中，MIR142 是突变最频繁的 miRNA 之一。通过对 CLL 患者样本的分析，研究人员发现 MIR142 的突变会影响 miR-142 的加工和表达。体外实验也证实，突变会导致 pri-miR-142 的加工异常，进而影响成熟 miRNA 转录本的表达水平。这表明 ncUCE 突变在成熟 miR-142 的生物发生调控中起着重要作用。
ncUCE 突变的潜在临床相关模式
为了评估 ncUCE 突变在癌症患者管理中的潜在效用，研究人员进行了一系列初步分析。他们开发了靶向 UCE 测序检测方法，对 126 例原发性未经化疗的 CRC 患者的肿瘤和匹配的外周血样本进行测序，发现 ncUCEs 的体细胞点突变与患者的临床特征有关。此外，他们对 CRC 循环肿瘤细胞（CTC）系和 CLL 患者的恶性 B 细胞进行分析，发现 ncUCE 突变在疾病进展过程中会发生动态变化，这意味着 ncUCE 测序有可能成为追踪疾病进展和监测肿瘤反应的工具。
综合上述研究结果，研究人员发现 ncUCE 突变在癌症中很常见，而且这些突变通过多种调控机制在癌症发展中发挥着重要作用。ncUCEs 可以作为增强子或沉默子，影响肿瘤抑制基因或致癌基因的表达，进而影响癌症的发生和发展。此外，ncUCE 突变与临床参数有关，在疾病进展过程中会发生动态变化，这为癌症的诊断、预后和治疗监测提供了新的潜在生物标志物和靶点。
不过，这项研究也存在一些局限性。比如，研究主要关注了 ncUCEs 对癌症增殖特征的影响，没有研究其对其他癌症特征的作用；在分析 ncUCEs 功能时，假设了 1:1 的调节因子 - 靶基因模型，没有考虑其他潜在的辅助因子；研究主要集中在 CRC 上，对于其他癌症类型中 ncUCEs 的作用还需要进一步研究；也没有全面分析染色质修饰或 DNA 修饰与 ncUCE 突变之间的关系。
尽管如此，这项研究仍然为癌症研究开辟了新的领域，让我们对非编码 DNA 在癌症中的作用有了更深入的认识。未来，还需要更多系统的研究来进一步探索这些高度保守的基因组元件在癌症中的奥秘，对 ncUCE 改变进行更全面的功能和临床特征描述，从而为癌症的防治提供更有力的支持。
