《SCIENCE ADVANCES》：Hemizygous loss of helicases promotes genomic instability and cancer development
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本研究聚焦于癌症驱动突变对酶功能的影响，提出了一种基于酶家族的驱动基因识别新策略。通过对大规模癌症基因组数据的分析，研究人员意外发现解旋酶（Helicase）是突变频率最高的酶家族。他们通过功能筛选和基因组分析，揭示了解旋酶功能失调会导致基因组不稳定性，并发现AQR等解旋酶的单倍剂量缺失（hemizygous loss）是癌症中一种常见的肿瘤抑制机制，这与同源重组缺陷（HRD）和PARP抑制剂敏感性相关。该研究为理解癌症发生及开发靶向治疗提供了新视角。
癌症是基因突变不断积累的恶果。这些驱动突变改变了关键蛋白质的功能，促使细胞无限增殖，最终形成肿瘤。然而，在浩瀚的基因组中精准识别出真正的“元凶”基因并非易事。传统方法主要关注单个基因的突变频率，却常常忽略一个关键视角：蛋白质的生化功能。毕竟，许多癌症驱动基因的核心在于其编码的酶活性，例如激酶（Kinase）的磷酸化功能。那么，从酶的功能家族出发，能否为我们照亮一片发现癌症新驱动因子的蓝海呢？这正是本研究的出发点。
研究人员独辟蹊径，不再局限于单个基因，而是将目光投向了执行特定生化反应的整个酶家族。他们系统性地分析了涵盖5844名患者的泛癌症基因组数据，旨在找出哪些酶家族在癌症中突变最为频繁。结果令人惊讶：在所有被分析的酶家族中，解旋酶（Helicase）——一类负责解开核酸（DNA和RNA）双链结构的关键酶——脱颖而出，成为突变频率最高的家族，在三分之二的癌症中都发生了改变。这提示，解旋酶的功能紊乱可能是癌症发生中一个被严重低估的环节。
为了验证这一发现并探究其机制，研究团队设计并实施了大规模的功能筛选实验。他们使用小干扰RNA（siRNA）和CRISPR-Cas9基因编辑技术，靶向敲低了96个高频突变的解旋酶和核酸酶基因。通过在细胞模型（如骨肉瘤细胞U-2 OS和非转化乳腺上皮细胞MCF10A）中检测DNA损伤标志物γH2AX和微核形成，他们筛选出那些功能缺失（LoF）会导致基因组不稳定的基因。Aquarius解旋酶（AQR）在筛选中表现最为突出，紧随其后的是DEAH-box解旋酶8（DHX8）和DEAH-box解旋酶38（DHX38）。这首次将这几个RNA解旋酶与基因组稳定性维持直接联系起来。
深入的分析揭示了一个更精细的模式：与许多典型的肿瘤抑制基因（TSG）需要两个等位基因都失活（双等位基因失活）不同，AQR在癌症中经常发生单拷贝缺失（单倍剂量缺失，hemizygous loss），却极少出现双拷贝完全缺失（纯合缺失）。这表明AQR可能遵循一种“单倍剂量不足”（haploinsufficiency）的机制，即仅丢失一个基因拷贝就足以促进肿瘤发生。对全基因组测序（WGS）数据的分析证实，携带单倍剂量AQR缺失的乳腺癌样本，其基因组显示出更高的不稳定性，并且富集了同源重组缺陷（HRD）相关的突变特征，例如单碱基替换特征SBS3和缺失特征ID6、ID8。尤为重要的是，当AQR的单倍剂量缺失与TP53的纯合缺失同时存在时，这种基因组不稳定的特征（包括短片段重复和缺失）会显著增强，提示两者在驱动癌症进化中存在协同作用。
为了在实验模型中验证AQR单倍剂量缺失的生物学后果，研究人员利用CRISPR-Cas9技术构建了AQR单倍体不足的MCF10A细胞系。他们发现，仅仅减少一半的AQR蛋白水平，就足以导致DNA损伤标志物γH2AX水平升高，并引发全基因组范围内的拷贝数变异和复杂的结构变异（SV）。更重要的是，这些AQR单倍剂量不足的细胞对PARP（聚腺苷二磷酸核糖聚合酶）抑制剂Talazoparib表现出敏感性。PARP抑制剂是临床上用于治疗同源重组修复缺陷（如BRCA1/2突变）癌症的有效药物，这一发现为携带AQR单倍剂量缺失的肿瘤提供了潜在的治疗方向。
研究并未止步于AQR。通过结合癌症基因组数据（PCAWG联盟）和功能必需性基因数据库（DepMap）的分析，研究人员发现，解旋酶家族整体上具有高必需性和高频单倍剂量缺失的特点。他们定义了一类“单倍剂量驱动基因”候选者：这些基因在癌症中反复发生突变（至少3次局灶性突变，且泛癌突变率>0.1%），对细胞存活至关重要（DepMap依赖评分<-1），但极少发生双等位基因失活（<0.5%）。在筛选出的42个候选基因中，有多达23个（55%）是解旋酶。这表明，单倍剂量不足可能是解旋酶家族中一种普遍存在的肿瘤抑制机制。
综上所述，这项发表于《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）的研究通过创新的酶家族分析框架，系统性揭示了解旋酶是癌症中最常发生突变的酶家族，其功能失调主要通过单倍剂量缺失导致基因组不稳定和DNA修复缺陷，从而驱动肿瘤发生。研究以AQR为范例，详细阐述了其单倍剂量缺失与HRD特征、TP53协同作用以及PARP抑制剂敏感性的关联，并扩展了“单倍剂量不足肿瘤抑制基因”这一概念在解旋酶家族的普适性。这项工作不仅拓宽了我们对癌症驱动机制的理解，也为针对携带特定解旋酶单倍剂量缺失的肿瘤开发新的治疗策略（如PARP抑制剂）提供了重要的理论基础和实验依据。
关键研究方法
本研究综合利用了生物信息学分析和实验功能验证。1. 泛癌基因组数据分析：利用癌症基因组图谱（TCGA）和全基因组泛癌分析（PCAWG）联盟等公开数据库，对包括解旋酶在内的11个酶家族的突变频率、拷贝数变异和驱动基因富集情况进行系统性分析。2. 高通量功能筛选：设计了靶向96个高频突变解旋酶/核酸酶基因的siRNA和CRISPR筛选库，在MCF10A iCas9 p53KO和U-2 OS细胞系中，通过检测γH2AX和微核形成来评估基因敲低对基因组稳定性的影响。3. 癌症基因组特征分析：基于PCAWG的乳腺癌样本全基因组数据，分析比较了携带AQR、TP53、BRCA1/2等基因不同突变状态的肿瘤的突变特征谱（如SBS3、ID6、ID8）、小片段缺失/重复模式，以揭示其与DNA修复通路缺陷的关联。4. 细胞模型构建与表型验证：使用CRISPR-Cas9构建AQR单倍体不足的细胞系，并通过低覆盖度和深度全基因组测序（WGS）分析其拷贝数变异和结构变异；利用DR-GFP报告系统检测同源重组（HR）效率；通过克隆形成实验测试对PARP抑制剂的敏感性。
研究结果
Pan-cancer mutation enrichment analysis reveals helicases as a recurrently mutated enzyme family（泛癌突变富集分析揭示解旋酶是反复突变的酶家族）
通过对TCGA和METABRIC等数据库中18种癌症类型的基因组数据进行酶家族层面的突变负担分析，发现解旋酶是突变频率最高的酶家族，其校正基因长度后的突变负荷效应值高达7.4。进一步的癌症基因普查（CGC）富集分析显示，解旋酶在已知驱动基因中富集程度最高（优势比=7.7）。利用PCAWG的WGS数据分析驱动突变类型发现，解旋酶和核酸酶的驱动突变几乎全部是功能缺失型（LoF），且主要由结构变异（SV）和拷贝数缺失驱动。
Genetic screen identifies LoF helicases and nucleases associated with genomic instability（遗传筛选鉴定出与基因组不稳定相关的LoF解旋酶和核酸酶）
针对96个高频突变的解旋酶和核酸酶基因进行的功能筛选（siRNA和CRISPR）发现，敲低其中9个基因会显著导致基因组不稳定。排名前三的基因AQR、DHX8和DHX38均为RNA解旋酶，属于SF2超家族。独立实验验证了敲低这些基因会增加DNA损伤标志物γH2AX水平和微核形成率。
AQR hemizygous tumors are associated with homologous recombination deficiency and genome instability（AQR单倍剂量缺失肿瘤与同源重组缺陷和基因组不稳定相关）
对AQR的深入分析发现，它在癌症中频繁发生杂合性拷贝数缺失（单倍剂量缺失），且与高基因组不稳定性相关，但纯合缺失很少见，提示单倍剂量不足。在乳腺癌样本中，AQR单倍剂量缺失的肿瘤表现出HRD相关突变特征（如SBS3、ID6）的升高，且当与TP53纯合缺失共发生时，这些特征以及与非同源末端连接（NHEJ）相关的特征（如ID8、短片段重复）会显著增强。克隆性分析表明，AQR和TP53的突变都是早期的克隆性事件。
AQR haploinsufficiency causes S phase–specific damage and sensitivity to PARP inhibitor（AQR单倍剂量不足导致S期特异性损伤和对PARP抑制剂的敏感性）
实验构建的AQR单倍体不足MCF10A细胞系显示出更高的γH2AX水平和显著的基因组不稳定性，全基因组测序揭示了复杂的结构变异。功能实验表明，AQR敲低会损害同源重组效率，而过表达RNase H1可以部分挽救由此引起的DNA损伤，提示AQR部分通过维持R-loop稳态来保障基因组稳定。更重要的是，AQR单倍体不足的细胞对PARP抑制剂Talazoparib表现出敏感性。
Helicases have a high prevalence of hemizygous cancer drivers（解旋酶中普遍存在单倍剂量癌症驱动因子）
结合PCAWG突变数据和DepMap基因必需性评分，研究人员定义并筛选出42个候选的“单倍剂量驱动基因”。其中23个（55%）是解旋酶，表明单倍剂量不足在解旋酶家族中是一种非常普遍的肿瘤驱动模式。这些候选基因在DNA复制、剪接体、NHEJ等核酸处理过程中富集。
研究结论与讨论
本研究通过酶家族驱动的分析策略，揭示了解旋酶是癌症中突变最频繁的酶家族，其突变几乎均为功能缺失型，且常通过结构变异和拷贝数缺失导致单倍剂量不足。经典的肿瘤抑制基因“二次打击”假说强调双等位基因失活，而本研究则扩展了“单倍剂量不足”这一机制在解旋酶这类必需基因中的普遍性和重要性。以AQR为例，其单倍剂量缺失与HRD特征、基因组不稳定性以及对PARP抑制剂的敏感性密切相关，并与TP53缺失协同加剧基因组混乱。这些发现表明，一部分解旋酶通过单倍剂量缺失的机制驱动癌症发展，这为理解癌症基因组进化提供了新视角。鉴于解旋酶在细胞中的核心功能，其蛋白水平可能被精细调控，单倍剂量缺失虽不致死，却使细胞处于基因组不稳定的脆弱状态，从而促进肿瘤发生。从转化医学角度看，这项研究提示，携带特定解旋酶（如AQR）单倍剂量缺失的肿瘤可能对PARP抑制剂等靶向DNA修复通路的疗法敏感，为未来开发新的治疗策略指明了潜在方向。
