《Current Opinion in Genetics & Development》：Update on somatic mutations in major neurodegenerative diseases: mutational signatures in neurons and mosaicism
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主要神经退行性疾病中的体细胞突变（somatic mutations）仍认识不足，但过去2年的研究提供了有价值的见解。对阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）和肌萎缩侧索硬化/额颞叶痴呆（amyotrophic lateral scle
主要神经退行性疾病中的体细胞突变（somatic mutations）仍认识不足，但过去2年的研究提供了有价值的见解。对阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）和肌萎缩侧索硬化/额颞叶痴呆（amyotrophic lateral sclerosis/frontotemporal dementia, ALS/FTD）易损神经元的单细胞全基因组测序（single-cell whole-genome sequencing）揭示，单核苷酸变异（single-nucleotide variant, SNV）特征和2 bp缺失（two-bp deletions）存在过度积累，且独立于致病性蛋白聚集（pathogenic protein aggregation）。氧化性DNA损伤（oxidative DNA damage）增加以及可能的DNA损伤修复（DNA damage repair）通路受损，或可解释患者中更显著的突变特征。对ALS/FTD相关组织中疾病相关基因的超深度测序（ultra-deep sequencing）发现，一部分散发性患者携带马赛克变异（mosaic variants），这些变异在生殖系（germline）中存在时可致病，但低等位基因频率（low allele frequencies）下此类马赛克变异的致病性尚不清楚。帕金森病（Parkinson’s disease, PD）体细胞变异研究在文献中仍代表性不足。
研究背景：主要神经退行性疾病（major neurodegenerative diseases, NDDs）包括阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）、帕金森病（Parkinson’s disease, PD）和肌萎缩侧索硬化/额颞叶痴呆（amyotrophic lateral sclerosis/frontotemporal dementia, ALS/FTD）谱系。其病因和发病机制提示体细胞变异参与：晚发、氧化应激、单基因病因和/或与DNA损伤修复机制相关的遗传风险因素，可能促进易损神经元及其他相关细胞类型中体细胞变异积累，并潜在促成疾病发生和/或进展。复杂遗传背景、外显不全、遗传与环境风险异质、疾病进展异质及高比例病因未明病例，进一步提示体细胞突变可能参与。AD主要累及海马、内嗅和前额叶皮层；PD以黑质多巴胺能神经元丢失为特征；ALS/FTD遗传和神经病理相关，分别累及运动神经元和额颞叶。尽管易损神经元亚群差异显著，多数NDDs共享神经炎症、突触和神经网络功能障碍、DNA/RNA代谢缺陷、蛋白稳态和能量稳态受损、特定蛋白聚集及病理朊病毒样播散等机制。特定蛋白聚集是NDDs神经病理定义特征。AD为β-淀粉样斑块和tau神经原纤维缠结；PD为α-Synuclein聚集；ALS多数TDP-43核耗竭和胞质聚集，少数SOD1或FUS；FTD多为TDP-43或tau，5–10%为FET家族蛋白。胶质细胞也参与NDDs并与神经元差异积累体细胞变异，但患者数据仍少。过去2年研究多聚焦AD和ALS/FTD易损神经元单细胞全基因组测序检测突变特征，以及对ALS/FTD受累组织致病基因超深度测序研究马赛克。由于体细胞变异检测技术挑战、特征解卷积不确定性、新测序技术未知局限和独立重复缺乏，结果需谨慎解释。该综述整合这些证据，指出体细胞SNV和indel积累可能与神经元功能衰退或死亡相关，并讨论马赛克变异通过局灶起始和病理播散参与疾病的可能性；其意义在于将神经元突变特征、DNA损伤修复与马赛克变异联系起来，为病因未明病例和机制研究提供方向，同时强调因果性尚未确定。
关键技术方法（≤250字）：该综述汇总的关键技术包括：对AD和ALS/FTD易损神经元进行单细胞全基因组测序（single-cell whole-genome sequencing），并进行体细胞SNV和插入/缺失（insertion/deletion, indel）的从头突变特征分解（de novo signature decomposition）；对ALS/FTD相关组织（运动皮层/脊髓、前额叶皮层等）中疾病相关基因进行超深度测序（ultra-deep sequencing），并在399例散发性ALS/FTD相关组织中评估马赛克变异和C9ORF72六核苷酸重复扩增（hexanucleotide repeat expansion, HRE）体细胞扩增；PD方面引用基于黑质RNA测序数据的预印本进行体细胞SNV分析。样本来源包括散发性AD、C9ORF72连锁的家族性ALS/FTD、散发性ALS/FTD以及PD黑质组织/数据。
研究结果：
易损神经元中的全基因组单核苷酸变异特征：SNV在神经元衰老过程中线性积累，其模式可能为每个细胞独有。散发性AD以及C9ORF72 HRE连锁的家族性ALS和FTD中，易损神经元SNV负荷较年龄匹配对照增加。AD中从头特征分解揭示两个相关特征：特征A以C>T和T>C替换为主并随年龄增加；特征C还显示C>A和T>A交换，分别与鸟嘌呤核苷酸氧化损伤和转录偶联核苷酸切除修复（transcription-coupled nucleotide excision repair, TC-NER）相关。两特征均贡献AD神经元体细胞SNV负荷增加，以特征C为主。AD中报告脑衰老加速和氧化性DNA损伤，但TC-NER受损的直接证据尚缺；携带关键（TC-）NER基因突变的神经元显示特征C突变增加。特征A突变数与相应基因表达水平正相关，而特征C突变数与基因表达水平负相关，支持TC-NER参与特征C。对散发性AD和C9ORF72连锁ALS/FTD易损神经元采用类似从头特征分解未识别两个独立特征，增加的体细胞SNV被归入一个与氧化性DNA损伤相关的单一特征。PD方面，近期预印本从黑质RNA测序数据调用体细胞SNV，可靠性和错误率受限，显示与AD和ALS/FTD可比的变化，即负荷增加，可能由于衰老加速、氧化应激增加和TC-NER受损。病理蛋白聚集与体细胞SNV积累在单个神经元中可能解耦：AD和ALS/FTD神经元在有无tau神经原纤维缠结或核TDP-43耗竭时SNV积累相当；但AD中SNV积累与组织整体tau神经原纤维缠结负荷相关。由此提出模型：组织范围tau病理与体细胞SNV增加相关，非细胞自主上游事件如β-淀粉样斑块沉积或神经炎症可能并行触发SNV积累和tau聚集。ALS/FTD中可能有类似组织范围效应；ALS脊髓运动神经元单细胞蛋白质组学显示许多蛋白质组变化独立于可检测TDP-43病理。
易损神经元中的全基因组插入/缺失特征：另一可能为单个衰老神经元独有的突变特征由1个或少数bp的indel组成，小缺失最突出。AD和C9ORF72连锁ALS/FTD易损神经元中检测到indel负荷增加，主要由恰好2 bp缺失驱动；单个神经元积累的体细胞indel数量相当于数百年衰老。这些占主导的2 bp缺失优先位于基因组转录活跃区，基序/上下文分析显示AD、ALS和FTD中最常见的是TNT基序重复区CT二核苷酸缺失。TNT基序处此类2 bp缺失先前与拓扑异构酶I（Topoisomerase I, TOP1）介导的核糖核苷酸切除修复（ribonucleotide excision repair, RER）相关；TOP1-RER是RNase H2介导RER的替代机制，可导致小缺失。AD和FTD中编码RNase H2亚基及核糖核苷酸还原酶的mRNA下调，可能导致NDDs中TOP1-RER增加，进而增加2 bp缺失负荷；但尚无AD和ALS/FTD神经元中RNase H2活性降低或TOP1-RER增加的直接证据，该机制仍为假说。非TNT基序处其他2 bp缺失也富集CT二核苷酸，并与硝基化多环芳烃（nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons）暴露相关，可能具有环境来源。与SNV类似，AD神经元2 bp缺失积累在单神经元水平独立于tau聚集，但与组织整体tau病理相关；C9ORF72连锁ALS/FTD中，易损神经元TDP-43耗竭核内体细胞indel负荷较低，但差异未达统计学显著。该现象初看反直觉，尤其TDP-43参与DNA双链断裂（DNA double-strand breaks）修复，但可能由TDP-43胞质错定位、自调控及DNA错配修复（mismatch repair）相关基因调控的复杂相互作用解释。AD和C9ORF72连锁ALS/FTD中体细胞SNV和indel频率并非独立，而在单个神经元中正相关，尽管可能经不同机制产生；可能解释是氧化性DNA损伤过度修复耗竭脱氧核糖核苷三磷酸（deoxyribonucleoside triphosphates, dNTPs）池，导致DNA损伤修复中掺入核糖核苷三磷酸（ribonucleoside triphosphates, rNTPs），继而TOP1-RER增加并积累小缺失。PD中尚无体细胞indel分析发表。
疾病相关基因中的马赛克变异：与上述神经元SNV和indel特征不同，马赛克变异发生于发育或神经发生过程中，或通过胶质细胞克隆扩增产生，并由脑内特定细胞亚群共享。变异等位基因分数（variant allele fraction）取决于突变事件发生时间及谱系限制和克隆选择等因素。NDDs一个特别重要的特征是病理朊病毒样播散：错误折叠蛋白、毒性寡聚体或纤维片段传播至邻近细胞或沿突触环路传播，播散蛋白聚集并扩展病理。携带特定马赛克突变并导致蛋白聚集的未知比例细胞可能足以启动疾病，马赛克变异有潜力解释病因未明的NDD病例。早期研究报告1例散发性早发性AD患者，其批量皮层组织中PSEN1致病性变异存在体细胞马赛克，变异等位基因分数为14%。但较新研究未在AD患者单个神经元或脑组织中识别出生殖系传播时已知致病的变异。类似地，在相对较小的PD队列中，不同脑区批量组织包括黑质未检测到致病性生殖系变异的体细胞马赛克。相反，ALS和FTD中两项独立研究报告，散发性病例相关脑区批量组织中神经退行性变相关基因的蛋白改变型马赛克变异负荷增加，而携带致病性生殖系变异的病例未见增加；马赛克变异通常等位基因频率低，包括作为杂合生殖系突变时已确立致病性的突变。值得注意的是，399例散发性ALS/FTD病例相关组织中有4例发现C9ORF72 HRE体细胞扩增，其中1例通过单倍型定相（haplotype phasing）确认野生型等位基因扩增；但受技术挑战和当前检测限限制，此类扩增实际患病率仍未知。此外，导致C9ORF72 HRE体细胞扩增的机制及其后果是否与亨廷顿病中HTT CAG重复体细胞扩增相当，仍未知。体细胞变异总体负荷在主要受疾病影响组织中最高，即ALS的运动皮层/脊髓和FTD的前额叶皮层；可能致病马赛克变异的等位基因频率在同一组织最高，在其他脑区较低甚至缺失。因此，ALS和FTD发现与主要受累脑组织局灶性疾病起始及随后病理向其他脑区播散一致。然而，证明此类低频马赛克变异致病性具有挑战性，最终可能需要在活体个体中检测以及相应患者对基因特异性治疗的反应性。
讨论与结论：讨论部分指出，体细胞SNV和indel积累增加可能通过诱导基因表达改变、蛋白氨基酸交换或受累等位基因表达丢失，促成NDDs神经元功能衰退或死亡。AD单个神经元显示较对照更多预测高影响体细胞indel，携带至少一个基因敲除的神经元数量也升高；C9ORF72连锁ALS和FTD中可比积累提示类似功能后果。但多数SNV和indel可能为中性乘客，携带过量体细胞突变神经元的功能衰退尚待证实；PD数据仍太少。突变特征积累是NDDs原因还是后果尚不清楚；上游事件可能独立导致致病性蛋白聚集和体细胞变异积累，如AD所提出，但不能排除体细胞变异增加导致部分而非全部神经元随机蛋白稳态崩溃和蛋白聚集。散发性而非单基因型ALS/FTD中富集的马赛克变异可能提示对疾病发生的因果贡献，并反对发病后积累，但存在疾病机制或神经元存活差异等替代解释。最终需在不同疾病阶段更大队列中研究体细胞变异，包括目前技术困难的生前检测，并需机制性体外研究和动物模型确定已知致病性变异极低等位基因频率是否有触发疾病潜力。
研究结论（翻译）：体细胞SNV和indel积累增加可能通过诱导基因表达改变、蛋白氨基酸交换或受累等位基因表达丢失，促成NDDs中神经元功能衰退或死亡。AD单个神经元显示较对照神经元更多预测高影响的体细胞indel，携带至少一个基因敲除的神经元数量也升高。C9ORF72连锁ALS和FTD中可比的体细胞变异积累提示类似功能后果。然而，考虑到大多数SNV和indel很可能是中性乘客，携带过量体细胞突变神经元的功能衰退尚待证实。PD中可用数据仍太少，无法得出结论。迄今尚不清楚突变特征积累是NDDs的原因还是后果。上游事件可能独立导致致病性蛋白聚集和体细胞变异积累，如AD中提出的那样。然而，不能排除替代情景，即体细胞变异增加导致部分而非全部神经元发生随机蛋白稳态崩溃和蛋白聚集。在散发性而非单基因型ALS/FTD中富集的马赛克变异，可能提示对疾病发生的因果贡献，并反对疾病发病后积累。然而，该观察有多种替代解释，如疾病机制或神经元存活差异。最终，需要在不同疾病阶段更大队列患者中研究体细胞变异以澄清，这将包括目前技术具有挑战性的生前检测。此外，需要机制性体外研究和动物模型来确定已知致病性变异的极低等位基因频率是否有触发疾病的潜力。综述作者：Axel Freischmidt|Jochen H Weishaupt。
