供稿：谢何曦，武汉大学
校稿：张杉，武汉大学
推送：张杉，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在Nature Communications上，标题是Base-excision repair pathway shapes 5-methylcytosine deamination signatures in pan-cancer genomes，通讯作者是法国居里研究所的Marc-Henri Stern研究员。
首先，作者在图1a中展示了不同突变特征（SBS）在特定三核苷酸序列背景下CpG>NpG替换的频率。这些突变特征包括SBS1、SBS95、SBS96和一个新的SBS（SBSnovel），它们都与CpG位点上的胞嘧啶替换有关。其中SBS96是MBD4缺陷型肿瘤中最主要的突变特征，而SBS95、SBS105和SBSnovel突变特征则与MBD4缺陷无关（图1b-c）。散点图显示SBS1、SBS96和SBSnovel突变特征中的CpG > TpG突变位点周围DNA甲基化水平较高，SBS105较低，说明5mC脱氨在SBS105突变特征中的作用较小（图1d），图1e通过线性回归进一步验证了这一点。由于SBS95和SBSnovel突变特征中的CpG > TpG突变率在低表达基因或基因间区域中较高，所以这些突变特征可能是由DNA损伤修复机制引起的，而不是由5mC脱氨引起的（图1f）。
图1 优化CpG突变标志物的谱系及其对5mC脱氨酶依赖性的研究
接着作者进一步探讨了与特定POLD1突变相关的SBS突变特征的特征。图2a通过分析与POLD1突变相关的突变特征的复制链不对称性，发现POLD1的R817W突变对DNA复制的影响较小。突变位于聚合酶结构域内，靠近B家族DNA聚合酶中高度保守的KKRY基序，可能是因为POLD1的R817W突变导致DNA修复途径中更频繁地出现碱基错配，尤其是在活跃基因特征中（图2b-c）。
图2 与POLD1特定突变相关的SBS突变特征
SBS96突变特征与细胞谱系特异性DNA甲基化模式之间具有密切的联系。在每种正常细胞类型中特异性甲基化在相应肿瘤类型中具有更高的CpG > TpG突变率，说明SBS96突变与谱系特异性DNA甲基化模式一致（图3a）。在视网膜母细胞瘤中，CpA > TpA突变率显著高于其他肿瘤类型，且是SBS96突变的一种特定组织特征（图3b-c）。MBD4缺陷型视网膜母细胞瘤中CpA > TpA替换数量显著高于野生型，CpA > TpA突变位点周围富含TACACC序列，而随机CpA位点周围没有发现同等显著的序列，这进一步表明这些突变与MBD4缺陷有关（图3d-e）。MBD4缺陷型视网膜母细胞瘤中CpA > TpA突变位点周围富含DNMT3A介导的CpA甲基化模式，且甲基化水平显著高于其他正常细胞类型，这与MBD4对甲基化CpA的结合能力一致（图3f-g）。视网膜母细胞瘤细胞中DNMT3A表达水平与其他SBS96肿瘤类型相似，CpA > TpA突变位点周围富含DNMT3A非CpG甲基化模式，说明视网膜母细胞瘤细胞中CpA甲基化水平是较高的（图3h-i），这是由于视网膜母细胞瘤细胞中被动和主动去甲基化速率较慢，从而积累了较高的CpA甲基化水平（图3j）。
图3 SBS96再现特定谱系的CpG和非CpG甲基化图谱
SBS96针对肿瘤特异性驱动基因。MBD4缺陷型视网膜母细胞瘤中致癌突变数量以及GNA11和SF3B1的致癌突变频率显著多于MBD4野生型视网膜母细胞瘤，而BAP1基因的致癌突变则与MBD4状态无关（图4a-b）。MBD4缺陷型视网膜母细胞瘤中驱动基因的CDS中甲基化CpG的数量与观察到的非同义CpG > TpG突变总数之间呈负相关，但与基因表达水平之间没有显著相关性，这表明这些致癌突变可能受到正向选择压力的驱动（图4c-d）。而MBD4缺陷型视网膜母细胞瘤中BAP1、GNA11、SF3B1和TP53基因的CpG甲基化百分比显著高于其他正常细胞类型，也进一步验证了这一点（图4e）。
图4 SBS96针对肿瘤特异性驱动基因
作者进一步研究发现MBD4优先保护活跃染色质和早期复制的DNA。在野生型HAP1细胞或过表达C端和N端FLAG标记的MBD4的细胞核提取物中进行Western印迹分析发现，两种重组MBD4蛋白主要定位于细胞核（图5a）。将HAP1细胞中2 kb基因组窗口的组蛋白标记富集，并按组蛋白标记富集程度从低到高进行排序，结果显示MBD4富集信号与激活组蛋白标记呈正相关标记，而与抑制组蛋白呈负相关（图5b）。在所有分析的肿瘤类型中，活跃和抑制区域的CpG > TpG突变率与CpG甲基化水平之间都存在强线性关系，但在活跃区域中斜率较低（图5d），且在活跃染色质中，SBS1和SBS96突变率与甲基化CpG的数量之间的比值显著低于抑制染色质（图5e），均表明MBD4可能优先保护活跃染色质。对MBD4信号在不同复制时期的富集情况以及SBS1和SBS96在不同复制时期的CpG>TpG突变率进行分析，发现MBD4在早期复制区域的富集更高，且早期复制区域的CpG>TpG突变率较低，均证实MBD4优先保护早期复制的DNA（图5f-g）。
图5 MBD4倾向于保护活跃的染色质和早期复制的DNA
为了证实MBD4是否为5mC脱氨修复的主要糖基水解酶。首先，对HAP1细胞野生型或MBD4、TDG或两者都敲除的细胞的核提取物中进行Western印迹分析，发现MBD4敲除导致CpG > TpG突变率显著增加，而TDG敲除则没有显著影响（图6c），说明MBD4是5mC脱氨修复的主要糖基水解酶。MBD4敲除细胞系克隆中的CpG > TpG突变特征与SBS96突变特征非常相似，这进一步证实了MBD4缺陷是SBS96突变特征的根本原因（图6d）。在野生型细胞和TDG敲除细胞中，SBS1和SBS96突变率与复制时间注释中甲基化CpG的数量之间的比值较低（图6e），可以得知MBD4和TDG都参与了5mC脱氨修复，但MBD4的作用更为重要。
图6 在人类细胞中，5mC脱氨基修复主要依赖于MBD4
综上所述，本研究通过综合分析大量肿瘤全基因组数据和特定细胞系的表观遗传数据，揭示了5-甲基胞嘧啶脱氨在癌症突变特征形成中的关键作用，特别是碱基切除修复途径中的MBD4糖基化酶在保护活跃染色质和早期复制DNA免受5mC脱氨引起的突变中发挥主要作用。研究不仅阐明了MBD4在维持基因组稳定性中的重要性，还为癌症的精准诊断和治疗提供了新的分子靶点，尤其是具有DNA修复缺陷的肿瘤，这些发现可能有助于开发新的癌症治疗策略，从而具有重要的临床意义。
文章编号：460
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54223-z
原文引用：
André Bortolini Silveira, Alexandre Houy, Olivier Ganier, Begüm Özemek, Sandra Vanhuele, Anne Vincent-Salomon, Nathalie Cassoux, Pascale Mariani, Gaelle Pierron, Serge Leyvraz, Damian Rieke, Alberto Picca, Franck Bielle, Marie-Laure Yaspo, Manuel Rodrigues, Marc-Henri Stern*. Base-excision repair pathway shapes 5-methylcytosine deamination signatures in pan-cancer genomes. Nat. Commun., 2024; 15(1): 9864
