吸烟对健康肺细胞有什么影响？

本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Gerd P. Pfeifer

根据世界卫生组织的数据，全世界约有11亿吸烟者，每年估计有180万人死于肺癌。吸烟引起的肺癌可能需要数十年的时间才会出现，吸烟人群罹患肺癌的风险是不吸烟人群的30倍¹。烟草中的致癌成分会造成DNA损伤，通过已知机制引起突变，最终导致肺癌。但关于吸烟最初会对健康肺细胞造成何种影响，人们仍知之甚少。

吉田等人² 在《自然》杂志上发表了一项研究，对从16名个体体内获得的632个健康肺细胞进行了全基因组测序，并对其突变情况进行了分析总结，纳入个体包括儿童、成人、不吸烟者、现吸烟者以及戒烟者。研究人员分析了突变的发生频率和性质、年龄与吸烟状况对突变具有怎样的影响以及这些突变与鳞状细胞肺癌的相关性。

《自然》论文：Tobacco smoking and somatic mutations in human bronchial epithelium

研究人员从肺组织中分离出细胞（图1），然后进一步分离出一种名为“基底细胞”的上皮细胞（这种细胞具有自我更新的能力）。他们将单个细胞培育成细胞集落，从而能够确定原始细胞的DNA序列。该研究的局限之一是，尽管研究人员获得了数百个单细胞的基因组序列，但每个吸烟状态组别中的个体数量相对较少。研究作者报告称，单核苷酸（点）突变的数量随着年龄的增长而增加——平均每增加1岁，每个细胞中就会多出22个点突变。

图1 | 正常人肺细胞中的基因突变情况。吉田等人² 分析了非吸烟者、现吸烟者和戒烟者健康肺组织中的DNA突变情况。a，利用活检取得的肺组织，研究人员确定了单个细胞的全基因组序列。b，不吸烟者的细胞几乎没有突变。相比之下，现吸烟者肺细胞大部分都携带大量的突变（灰色；颜色越深表示突变越多），且这些突变都具有典型特征。与不吸烟者相比，吸烟者中同一个体不同细胞间的突变差异更大。令人惊讶的是，研究人员发现6名戒烟者中有5名肺组织中较多细胞（20-50％）仅携带很少量的突变，且几乎没有与吸烟相关的突变特征。这些细胞如何产生仍是一个谜——吉田等人推测它们是来自于一个迄今未知的干细胞群体。

但是，即便是已经戒烟的人，相比非吸烟者，其单个细胞平均也增加了2330个突变，现吸烟者中这个数字是5300，这证明吸烟确实会导致突变的发生。此外，吸烟者的基因组还发生了广泛的其他类型的突变，例如插入或缺失突变。吸烟者中同一个个体不同细胞中的突变数可能相差十倍，非吸烟者中这种细胞间差异则小得多。细胞暴露于致癌物质时所处的细胞周期阶段，可能会影响DNA复制前DNA损伤的修复情况，这或许能解释吸烟患者细胞间突变数量差异为何如此明显。

吉田及其同事使用先前开发的算法，对单个细胞中发生的突变进行了分析，主要关注可能发生的所有类型的序列改变（例如，DNA碱基中的腺嘌呤突变为胞嘧啶、鸟嘌呤或胸腺嘧啶），同时还对突变碱基对前后相邻的碱基进行了记录。这种分析方式可以发现突变的特定模式，即突变特征，我们常常用其对肿瘤细胞基因组进行表征³。

作者报告称某些突变特征的数量随着年龄的增长而增加，似乎不受吸烟的影响。比如5-甲基胞嘧啶（一种修饰后胞嘧啶）中的氨基丢失从而变为胸腺嘧啶，这是一个自然过程。在所有标本中，最常见的突变特征富含胞嘧啶-胸腺嘧啶和胸腺嘧啶-胞嘧啶。该特征的数量随着年龄的增长而增加，且在有吸烟史的人中更常见。这些突变背后的发生机制，我们仍不得而知。最常见的与吸烟有关的突变特征包括鸟嘌呤-胸腺嘧啶突变，大部分吸烟相关肺癌中也富含此类突变特征^4-7。

在所有肿瘤中，肺癌可以说是突变频率最高的肿瘤之一了⁸。然而，目前大家公认只需存在少量促肿瘤（驱动）突变，单个细胞就可以发生恶性增殖。考虑到吸烟者健康上皮细胞中突变负荷很高，且存在特定与吸烟相关的突变特征，吉田及其同事进一步探究了这些突变是否影响了与肿瘤生长相关的关键基因。

他们确实发现细胞在关键基因中发生了突变，例如TP53和NOTCH1基因，这些是鳞状细胞癌的驱动突变。与非吸烟者相比，这些驱动突变在吸烟者的肺细胞中更为常见。部分细胞甚至携带多达三个驱动突变。但是，我们不知道人类肺癌发生究竟需要几个突变（以及具体突变的组合）。他们在同一个体的多个细胞中发现了特异的TP53突变，表明这些突变发生得较早，或者携带该突变的细胞发生增殖，又或两者皆有——就像阳光照射下健康人的皮肤细胞一样⁹。

与不吸烟者相比，戒烟者罹患肺癌的风险更高，因为其细胞突变负荷较大且大多数肺细胞中存在吸烟相关的突变的特征（类似现吸烟者的突变特征）。尽管戒烟者罹患肺癌的风险很高，但其风险仍低于现吸烟者，具体的风险降低程度取决于戒烟时间的长短¹。这种现象的原因很难解释。然而，也许吉田团队最令人意外的结果能为我们提供一点线索：6个戒烟者中有5个肺组织中有20％至50％的细胞突变负荷较低，这些细胞与同年龄的非吸烟者的健康肺细胞类似（图1）。

在戒烟者肺组织中，这些接近正常的细胞的吸烟相关突变数量较少。而且，与戒烟者的高度突变的细胞相比，这些接近正常的细胞的端粒更长；端粒位于染色体的末端，其长度随着每次细胞分裂缩短。因此，端粒长表明这些细胞没有经历许多次细胞分裂。研究人员推测这些细胞可能是由原先处于休眠（静止）状态的干细胞分裂产生的。这种干细胞是新近提出的，到底是否存在于人肺中尚不清楚。

DNA损伤可在DNA复制过程中产生突变。因此，如果在人类肺部中存在大量未分裂的干细胞，即使暴露于致癌物质，如果在不分裂的情况下修复DNA损伤，那么此类细胞也许可以避免引起突变。但是，由于对这些假定存在的长寿命干细胞以及人肺中不同细胞类型的寿命缺乏了解，我们很难解释戒烟者体内几乎没有突变的细胞到底发生了什么。

为何戒烟者仍然有相当一部分高度突变细胞能高度增殖，至少在体外培养中如此？戒烟后的许多年里，任何在增殖过程中暴露于致癌物质的短寿命细胞都应该消失了。于是问题来了，肺中是否存在长寿命已分化细胞，它们本身携带大量突变负担；以及考虑到肺细胞的可塑性（改变细胞性质），这些细胞是否可以恢复增殖¹⁰。未来的挑战将是了解这些现象背后的细胞生物学机制。或许有一天，我们将开发出增加戒烟者体内近正常肺细胞数量的方法。

吉田及其同事的研究让我们进一步了解了烟草对人肺正常上皮细胞的影响。它揭示了戒烟如何在分子层面保护肺组织，并提出了许多值得进一步研究的有趣问题。

参考文献：

1.Lee, P. N., Forey, B. A. & Coombs, K. J. BMC Cancer 12, 385 (2012).

2.Yoshida, K. et al. Nature 578, 266–272 (2020).

3.Alexandrov, L. B. et al. Nature 500, 415–421 (2013).

4.Alexandrov, L. B. et al. Science 354, 618–622 (2016).

5.Pfeifer, G. P. et al. Oncogene 21, 7435–7451 (2002).

6.Denissenko, M. F., Pao, A., Tang, M. & Pfeifer, G. P. Science 274, 430–432 (1996).

7.Kucab, J. E. et al. Cell 177, 821–836 (2019).

8.Kandoth, C. et al. Nature 502, 333–339 (2013).

9.Martincorena, I. et al. Science 348, 880–886 (2015).

10.Tata, P. R. & Rajagopal, J. Development 144, 755–766 (2017).

原文以Smoke signals in the DNA of normal lung cells为标题发表在2020年1月29日的《自然》新闻与观点上

本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Gerd P. Pfeifer