《Journal of Biological Chemistry》：Altered benzo[a]pyrene adduct formation in nucleosomes establishes distinct mutational patterns in lung cancer
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本研究揭示了烟草致癌物苯并[a]芘二醇环氧化物（BPDE）在核小体及转录因子结合位点处的损伤形成规律，阐明了染色质结构如何通过调控DNA损伤的可及性，而非修复效率，来塑造肺癌特异的体细胞突变模式，为理解肺癌基因组突变异质性提供了新的分子机制视角。
肺癌是全球最常见、最致命的癌症之一，其发生与长期暴露于烟草烟雾中的多环芳烃（如苯并[a]芘）密切相关。这种物质在体内代谢后，会变成一种名为苯并[a]芘二醇环氧化物（BPDE）的剧毒分子，它能与DNA中的鸟嘌呤（G）碱基结合，形成庞大、扭曲DNA双螺旋结构的加合物。如果这些“伤口”不能被细胞及时修复（主要由核苷酸切除修复/核苷酸切除修复（NER）通路负责），就可能引发基因突变，最终导致肺癌。
有趣的是，我们体内的DNA并非“裸露”存在，而是像线轴上的线一样，紧密地缠绕在由组蛋白八聚体构成的“线轴”——核小体上。这种精密的包装方式深刻影响着DNA的“命运”。在大多数癌症类型中，核小体DNA区域的突变率通常更高，因为DNA的紧密包裹抑制了修复蛋白的接近。然而，肺癌却是个例外：它的体细胞突变偏偏喜欢出现在核小体之间的“连接DNA”区域，并且在核小体内部，突变也更倾向于发生在DNA小沟朝外（minor-out）的位置。为什么肺癌的突变模式如此“特立独行”？其背后究竟是DNA损伤形成的差异，还是修复效率的不均所致？这个问题长期以来悬而未决。为了解开这个谜团，研究人员利用了高通量基因组测序技术，深入分析了人类细胞中BPDE加合物形成与修复的全基因组图谱，并将其与肺癌患者的体细胞突变数据进行比较，最终在《Journal of Biological Chemistry》上发表了一项揭示肺癌突变“空间偏好性”起源的重要研究。
为了开展这项研究，作者团队运用了一系列关键的生物信息学和基因组学技术方法。他们从癌症基因组图谱（TCGA）中获取了肺癌（肺腺癌/LUAD和肺鳞状细胞癌/LUSC）患者的全基因组测序数据，以分析体细胞突变模式。同时，利用了已发表的人类核小体定位图（基于DNase-seq和MNase-seq数据）来确定基因组中核小体的精确位置。为了探究BPDE损伤的形成与修复，他们分析了在BPDE暴露后的人类细胞中生成的基因组范围损伤图谱，以及使用跨损伤切除修复测序（tXR-seq）技术获得的NER修复活动图谱。此外，研究还整合了ENCODE项目中的转录因子（如CTCF和SP1）结合位点数据，并通过分析高分辨率核小体晶体结构（如1KX5， 2CV5），计算了鸟嘌呤N2原子的溶剂可及表面积（SASA），以从结构角度解释损伤偏好性。数据分析主要使用了专门开发的生物信息学工具包mutperiod进行周期性分析和数据可视化。
BPDE加合物在细胞中富集于连接DNA
研究人员首先分析了肺癌体细胞突变与核小体位置的关系，确认了突变在连接DNA区域富集、在核小体内部被抑制的独特模式，其周期性约为190.3 bp，与核小体重复长度一致。当他们分析BPDE加合物形成的全基因组图谱时，发现了一个高度吻合的模式：BPDE损伤同样在连接DNA区域富集，在核小体内部被抑制，其周期性（191.0 bp）与突变模式几乎完全匹配。相反，BPDE加合物的NER修复活动虽然在连接DNA区域也较高，但其周期性（170.9 bp）与损伤和突变的模式不同。这表明，肺癌突变在连接DNA区域的富集，主要归因于BPDE损伤在此处更容易形成，而非修复效率的差异。
BPDE加合物形成在核小体的minor-out旋转位点升高
深入核小体核心区域（从中心轴±60 bp）的分析揭示了另一个关键发现。BPDE损伤在DNA小沟朝外（minor-out）的旋转位点特异性升高，而在小沟朝内（minor-in）的位点降低，呈现出明显的约10.1 bp周期性，这恰好对应DNA的螺旋重复长度。肺癌突变数据（尤其在覆盖度更高的MNase-only核小体图谱中）也显示出在minor-out位点富集的相同趋势。然而，BPDE修复活动在核小体内部并未显示出与DNA小沟朝向明确相关的周期性模式。这些结果表明，核小体内部的BPDE损伤形成模式，而非修复活动，能够解释肺癌突变在minor-out位点的升高。
结构分析揭示了核小体中minor-out位点BPDE加合物升高的分子机制
BPDE主要与鸟嘌呤碱基上位于DNA小沟侧的环外N2氨基团形成共价加合物。为了从结构上解释上述观察，研究人员分析了核小体（Xenopus 1KX5和人类2CV5）的高分辨率X射线晶体结构，计算了鸟嘌呤N2原子的溶剂可及表面积（SASAN2）。结果显示，在minor-out位点，鸟嘌呤N2原子的溶剂可及性中位数是minor-in位点的约2倍。这种结构上的可及性差异，为BPDE加合物（以及随后的突变）在核小体minor-out位点优先形成提供了合理的分子机制解释。N2）。（D）人类核小体结构模型，显示BPDE损伤形成在minor-out位置升高（用红色香烟烟雾符号表示），在minor-in位置被抑制（用较小的蓝色符号表示）。">
BPDE损伤和修复在转录因子结合位点发生改变
研究进一步探讨了DNA结合蛋白（转录因子）对BPDE损伤的影响。分析发现，在CTCF和SP1转录因子的结合位点，BPDE损伤形成受到抑制。在CTCF结合位点两侧的无核小体区域（通常是DNase I超敏感位点），损伤和修复活动均升高，但极高的修复效率似乎抑制了该区域的突变积累。而在CTCF结合位点本身（50 bp窗口内），突变富集与损伤形成呈强正相关。对于SP1结合位点，其周围DNA未形成明显的核小体周期性，但在结合位点中心附近，BPDE损伤和修复活动均降低，且突变富集与损伤形成呈强正相关。这些结果表明，转录因子结合通过抑制其结合位点处的BPDE损伤形成，进而影响了肺癌在该区域的突变模式。
BPDE损伤形成和突变发生在活跃的转录起始位点被调节
对约20，000个蛋白质编码基因的转录起始位点（TSS）的分析显示，BPDE损伤在TSS周围形成一个广泛的峰，这与肺癌突变峰的位置大致重合，且两者在TSS周围2 kb窗口内显著相关。这种损伤峰与TSS周围的核小体耗竭区以及下游的连接区域相关。相比之下，NER修复活动在TSS中心的核小体耗竭区（也是SP1结合位点富集区）却很低。这再次表明，在活跃的启动子区域，BPDE损伤形成的调节（可能受到转录因子结合和染色质开放状态的影响）是驱动局部突变模式的关键因素。
本研究系统性地阐明了染色质结构如何塑造由烟草致癌物BPDE诱导的肺癌体细胞突变景观。核心结论是：BPDE损伤形成的可及性，而非NER修复效率的差异，是决定肺癌在特定染色质环境中突变模式的主要因素。 具体而言：
- 1.
在核小体层面：DNA包装成核小体抑制了BPDE加合物的形成。因此，损伤和随后的突变更倾向于发生在更易接近的连接DNA区域。在核小体内部，DNA的旋转方向决定了损伤易感性：在DNA小沟朝外（minor-out）的位点，由于鸟嘌呤N2反应基团的溶剂可及性更高，BPDE损伤形成和肺癌突变均特异性升高。结构分析从原子层面证实了这一机制。
- 2.
在转录因子结合位点：CTCF和SP1等转录因子与DNA的结合，直接抑制了其结合位点处的BPDE损伤形成。这导致了该区域突变率的降低。同时，CTCF结合位点两侧高度开放、修复活跃的区域，虽然损伤也高，但因修复效率极高而避免了突变的过度积累。
- 3.
在转录起始位点：活跃基因启动子区的开放染色质状态（核小体耗竭、转录因子结合）促进了BPDE损伤的形成，这与该区域观察到的肺癌突变峰相吻合。
这项研究的意义重大。它首次在全基因组水平上，将肺癌特异的突变模式（连接DNA和minor-out位点富集）与致癌物BPDE损伤形成的染色质依赖性调节直接联系起来，并提出了一个清晰的、基于DNA可及性的分子机制模型。这挑战了先前在某些癌症类型中“修复抑制主导突变模式”的普遍观点，强调了对于不同致癌物和癌症类型，驱动突变异质性的首要机制可能不同。研究结果深化了我们对环境致癌物如何与细胞核内复杂的三维结构相互作用并最终引发癌症的理解，为未来基于染色质环境评估癌症风险、理解驱动突变的发生机制提供了新的理论框架。
