人类Alu和L1逆转录转座子的插入活动与癌症中的DNA修复途径及基因组不稳定有关

《Computers in Biology and Medicine》：Insertional activity of human Alu and L1 retrotransposons is associated with DNA repair pathways and genome instability in cancer

基因组不稳定性中转座子激活与DNA修复的关系及其预后价值。

　　

Maria Suntsova|Alexander Modestov|Elizaveta Rabushko|Nikolai Komarov|Ivan Gaziev|Anastasia Novosadskaya|Anastasiya Barysionak|Galina Zakharova|Nina Shaban|Anna Khristichenko|Anna Emelianova|Marianna Zolotovskaia|Elena Poddubskaya|Alexander Seryakov|Anton Buzdin

谢切诺夫莫斯科第一国立医科大学，119991，俄罗斯莫斯科

摘要

转座元件（TEs）是基因组变异的主要来源，但它们与其他突变过程以及癌症中的DNA修复机制之间的关系仍不甚明了。在这项研究中，我们结合了深度测序技术（RNAseq、全外显子测序和靶向TE侧翼测序）与计算分析方法，研究了526个实验样本和2488个TCGA癌症样本中活性人类L1和Alu元件的转录活性。通过对40对癌症样本及其对应正常组织中的体细胞TE插入进行定量分析，我们发现TE插入活性（每种TE类别大约每个样本20次插入）与L1转录相关，在癌症样本中显著增强，并且存在较大的样本间差异。TE插入还与非同源末端连接、错配修复和核苷酸切除修复途径的激活相关，同时与和基因的转录有关。基于高度相关的基因，我们构建了一个能够反映TE插入活性的表达特征（AUC 0.819-0.903）。在更大的实验和文献肿瘤队列中，该特征与大多数DNA修复途径的激活水平显著相关，但不包括导致ATM检查点激活和细胞周期停滞的途径。此外，该特征还与许多基因组不稳定标志物相关（嵌合基因、肿瘤突变负担、基因拷贝数变异、杂合性丢失），但在具有微卫星不稳定性的癌症样本中其相关性较低。最终，该特征与胰腺癌患者的总体生存率降低有关（HR 5.9），而在胃癌、肺癌和宫颈癌中的影响较小。这些结果揭示了TE活性、DNA修复和基因组不稳定在人类癌症中的相互作用。

引言

基因组不稳定已被确定为癌症的主要特征之一[1]。它是导致细胞癌变并加速肿瘤分子进化的“驱动”和“乘客”突变的来源[2]。癌症基因组不稳定性的某些特征与治疗效果及个性化治疗之间的关系是当前研究的重点。最常考虑的因素包括肿瘤突变负担（TMB）、微卫星不稳定（MSI）、DNA修复基因的诊断性突变、错配修复缺陷、基因拷贝数变异（CNV）和杂合性丢失（LOH）。这些因素已被证明与成功的治疗结果相关，尤其是在使用免疫检查点阻断抗体[3,4]、铂类药物和多聚（ADP-核糖）聚合酶抑制剂[5]以及针对扩增基因产物（如HER2）的靶向药物的情况下[6,7]。此外，移动遗传元件（转座元件，TEs）的插入可能被视为另一个日益重要的基因组不稳定生物标志物。

所有活性人类TE都属于逆转录元件类别，因为它们通过逆转录过程复制，即在RNA中间分子的模板上合成cDNA[8]。两种在人类中活跃的自主TE元件家族（L1Hs和L1PA2）编码能够使它们移动的酶机制，还有非自主的活性人类TE元件AluYa5和AluYa8家族[[9], [10], [11]]。体细胞TE插入现象在正常组织和肿瘤组织中都有记录。尽管如此，已有研究表明，随着肿瘤发生，TE插入的频率会增加[12]。全基因组测序技术使得在大约35%的恶性肿瘤中识别出新的TE插入。TE的存在在某些类型的肿瘤中更为常见，包括但不限于头颈癌、结直肠癌、肺癌和食管癌。例如，在食管腺癌病例中，有27%的患者表现出超过一百个新的TE插入[13]。新的TE插入可以直接关闭或调节基因表达，或者当TE序列作为基因组重组的底物时诱导相关的DNA重排[14]。转座元件的激活可能是肿瘤细胞中全局表观遗传失调的结果[15]，或者由于TE引起的DNA重排而成为肿瘤基因组不稳定性的驱动力[16]。因此，肿瘤中TE活性的存在可能是一个重要的诊断和/或预后生物标志物。然而，TE插入的存在及其相关效应目前尚未纳入标准肿瘤筛查测试的范围。此外，导致遗传性癌症的种系TE插入可以通过全基因组测序、全外显子测序或面板测序检测到[17,18]，而体细胞TE插入的检测则更具挑战性。首先，全外显子或面板测序会遗漏编码区域外的任何TE整合。其次，由于克隆效应，寻找体细胞TE插入需要比标准30-50倍全基因组或100-200倍全外显子测序更高的覆盖度。

由于缺乏针对不同癌症类型的系统性、全基因组范围的分析，以及将插入事件与基因组调控联系起来的难度，对肿瘤中TE插入景观的全面表征受到了限制。为了解决这一难题，我们设计了一项研究，通过结合转录组测序和外显子测序以及TE侧翼区域的靶向测序来研究人类癌症中的TE活性。通过比较肿瘤样本及其对应的正常组织，并应用生物信息学流程来识别体细胞插入，我们旨在量化肿瘤特异性的TE移动及其基因组分布。此外，我们还试图确定TE插入模式与肿瘤转录谱、DNA修复途径及几种特定基因组不稳定参数之间的相关性，以揭示与TE介导的基因组重塑相关的潜在机制。

部分内容

生物样本

所有实验生物样本均为经福尔马林固定、石蜡包埋（FFPE）的实体瘤组织块。本研究共包含526个实体瘤样本（补充文件1）。其中，415个样本为宫颈癌、结直肠癌、肺癌和胃癌样本，用于与癌症基因组图谱（TCGA）项目数据库中相同类型的癌症分子的进一步比较（补充文件1和补充文件2）。

本研究中包含的实验生物样本

癌症及对应正常组织样本中的TE插入活性

为了确定TE插入活性并评估其与已知基因和分子途径活性的相关性，我们进行了全基因组范围的肿瘤特异性插入筛查。我们通过RNA测序对526个人类实体瘤样本中的TE和基因表达进行了实验分析（补充文件1）。这些样本被检测是否含有L1Hs和L1PA2元件（图1A和B），因为它们是最新且目前具有转座活性的自主人类TE[43,44]

讨论

在这项研究中，我们首次在大规模研究（涉及526个实验样本和2488个文献中的癌症样本）中比较了TE插入特征与基因组不稳定因素和DNA修复途径激活模式。正如先前的报告[13]所指出的，大约35%的肿瘤至少存在一个新的体细胞TE插入。此外，早期包含较少样本的研究显示更高的体细胞TE插入频率，至少80%的肿瘤含有体细胞L1[

CRediT作者贡献声明

Maria Suntsova：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、研究构思。Alexander Modestov：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。Elizaveta Rabushko：撰写——审稿与编辑、研究设计、数据分析。Nikolai Komarov：撰写——审稿与编辑、软件应用、数据管理。Ivan Gaziev：撰写——审稿与编辑、研究设计、数据分析。Anastasia Novosadskaya：撰写——审稿与编辑，

伦理声明

本研究的过程和设计得到了Vitamed诊所（俄罗斯莫斯科）当地伦理委员会的指导和批准（协议日期：2017年10月16日）。所有患者或其法定代表均签署了参与本研究的书面知情同意书。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会（Russian Science Foundation）的资助，项目编号为20-75-10071。Anton Buzdin的贡献得到了“Sirius联邦领土科学技术发展”国家计划（协议编号25-03，日期为2025年7月7日）的支持。

RNA测序谱型和部分癌症病例的临床注释是在Oncobox LLC（俄罗斯）研究计划框架内提供的。