人类多能性与成体干细胞谱系特异性癌症相关突变的驱动因素与临床意义

本刊推荐：为解决干细胞治疗中癌变风险这一关键安全问题，研究人员通过大规模RNA-seq分析，首次系统揭示了人类多能干细胞(PSCs)、间充质干细胞(MSCs)和神经干细胞(NSCs)中谱系特异性的癌症相关突变图谱。研究发现高达41%的NSC样本携带致癌突变，并证实TP53在PSCs中突变占主导(67%)，而MSCs和NSCs则呈现NOTCH2/MET和FGFR3等不同的突变谱系。研究通过转录组分析揭示了突变对TGF-β信号通路、有氧呼吸等关键生物学过程的显著影响，并建立了基于突变类型的风险分级体系，为干细胞质量控制提供了重要遗传学依据。

　　

随着干细胞治疗时代的来临，一个幽灵始终萦绕在研究人员心头：这些拥有无限增殖潜力的细胞，是否会像特洛伊木马般隐藏着致癌突变？尽管人类多能干细胞(PSCs)在疾病建模和再生医学中展现出巨大潜力，但先前研究已经发现它们可能携带肿瘤相关基因突变。然而，对于同样广泛应用于临床研究的成体干细胞(ASCs)——包括间充质干细胞(MSCs)和神经干细胞(NSCs)——其突变状况却一直笼罩在迷雾之中。

为了揭开这层迷雾，耶路撒冷希伯来大学的Jonathan Jung和Nissim Benvenisty教授团队开展了一项里程碑式的研究。他们通过对超过1,400个干细胞样本进行大规模RNA测序(RNA-seq)分析，首次绘制了人类多能干细胞与成体干细胞的全面癌症相关突变图谱，相关成果发表在《Stem Cell Reports》期刊上。

研究人员采用先进的生物信息学分析流程，对606个人类胚胎干细胞(ESCs)、603个MSCs和198个NSCs样本进行了深度解析。通过主成分分析(PCA)、均匀流形近似与投影(UMAP)和t分布随机邻域嵌入(t-SNE)等机器学习方法验证细胞身份后，利用定制化的突变检测算法在COSMIC数据库记录的500多个一级癌症基因中寻找高频突变。

癌症相关突变在人类成体干细胞中的普遍存在

研究结果显示，MSCs和ESCs的突变率相似(分别为18%和20%)，而NSCs的突变率惊人地高达41%。这些突变在不同来源的细胞中广泛存在——MSCs无论源自骨髓、脂肪组织还是脐带血，NSCs无论来自胎儿前脑、后脑还是脊髓，都检测到癌症相关突变。

更令人担忧的是，在63%的NSC研究(12/19)和51%的MSC研究(37/73)中至少存在一个突变样本，表明这一问题在领域内的普遍性。STRING蛋白互作分析显示，这些突变基因之间存在紧密的网络连接，其中TP53在ESCs突变网络中处于核心枢纽地位。

谱系特异性突变谱与体外获得性突变

深入分析揭示了显著的谱系特异性突变模式：TP53在ESCs突变分布中占主导地位(67%)，与既往发现一致。相比之下，MSCs和NSCs表现出更多样化的突变谱，其中NOTCH2和MET是MSCs的主要突变基因，而FGFR3在NSCs中突变频率最高。

通过对比同一细胞系在不同研究中的基因型，研究人员证实这些突变不仅存在于ESCs中，也存在于MSCs和NSCs的体外培养过程中，表明成体干细胞在培养中同样能够获得癌症相关突变，尽管部分突变可能源于供体组织的嵌合现象。

突变率与基因表达的相关性

一个有趣的发现是，各谱系中突变频率最高的基因在该谱系中表达水平也显著更高。TP53和FGFR3分别是ESCs和NSCs中的主要突变基因，而NOTCH2和MET则是MSCs中的主要突变基因。这种"表达-突变倾向"相关性在MSCs与ESCs或NSCs的比较中尤为明显。

研究人员进一步发现这种谱系特异性与人类肿瘤中的突变模式相呼应：在源自多能干细胞的畸胎瘤和畸胎癌中，TP53确实是最主要的突变基因，而在其他谱系相关肿瘤中，TP53的排名则低得多。

癌基因和肿瘤抑制基因突变的转录组学后果

根据COSMIC数据库的分类，这些突变基因可分为癌基因、肿瘤抑制基因或双重功能基因。等位基因频率分析显示，癌基因突变主要呈现0.5的等位基因频率( heterozygous状态)，而肿瘤抑制基因则可能出现更高的等位基因频率，提示可能存在杂合性缺失(LOH)。通过e-SNP核型分析技术，研究团队在17号染色体短臂(TP53所在区域)证实了单等位基因表达，进一步支持了LOH的存在。

差异表达分析和基因集富集分析(GSEA)揭示了突变样本中显著下调的通路具有明显的谱系特异性：ESCs中主要影响"转化生长因子β(TGF-β)信号响应"和"p53信号转导"；MSCs中主要影响"有氧呼吸"和"TGF-β信号响应"；NSCs中则影响"细胞粘附"和"神经肽信号"。

按基因功能分类后，癌基因突变样本普遍显示发育和分化能力相关通路的下调，而肿瘤抑制基因突变样本则呈现一般细胞过程的下调。通过PCA密度可视化分析，研究人员观察到未突变样本、癌基因突变样本、肿瘤抑制基因突变样本和TP53突变样本之间存在明显的转录组分离，且这种分离模式具有谱系特异性。

特别值得注意的是，TP53突变在所有谱系的干细胞中都一致导致"程序性细胞死亡正调控"和"凋亡过程"相关通路的显著下调，表明TP53突变在不同干细胞类型中具有保守的功能影响。

研究结论与讨论

这项研究首次全面揭示了人类成体干细胞中癌症相关突变的高发状况及其谱系特异性特征。NSCs中41%的突变率可能与其主要来源于胎儿组织有关，这一发育阶段的器官发生过程已知具有较高的突变率，加上NSCs在体外培养中的困难，可能导致具有癌症相关突变的细胞获得选择性优势。

研究人员提出了一个基于突变严重程度的启发式分类框架(表1)，将突变样本分为五个风险类别：从最低风险的肿瘤抑制基因杂合突变(无已知致瘤性，如ERCC5突变，占4.6%)，到最高风险的多重癌相关基因突变(如TP53+NF1双突变，占8.6%)。这一分类体系为干细胞治疗的安全性评估提供了重要参考。

干细胞治疗最严重的安全隐患是肿瘤形成。已有报道显示，糖尿病患者移植自体PSCs来源的细胞后形成了恶性未成熟畸胎瘤；而在免疫特权器官(如大脑)中移植异体NSCs后，也出现了多例肿瘤形成案例。值得注意的是，所有报道的成体干细胞移植后肿瘤形成案例都发生在神经谱系，这可能部分源于移植免疫环境的差异。

该研究的局限性包括严格的突变筛选标准可能遗漏某些突变、缺乏细胞传代代次信息、以及难以完全区分体内原有突变与体外获得性突变。尽管如此，这项工作无疑强调了在干细胞治疗应用前进行遗传学筛查的重要性，特别是对于那些经过长期体外培养的细胞系。

总之，这项研究为我们理解干细胞基因组稳定性提供了重要见解，为未来干细胞治疗的安全质量控制奠定了坚实基础，同时也提示科研界和临床工作者需要更加重视干细胞产品的遗传学特征评估。随着干细胞治疗时代的加速到来，这类研究将对确保再生医学的安全性产生深远影响。