吸烟越多，DNA 修复能力却可能更强？最新研究揭示为什么大多数吸烟者不会患肺癌

导读

肺癌，是全球癌症相关死亡的主要原因，与吸烟密切相关。香烟烟雾中的化学致癌物，如多环芳香烃，能够引起 DNA 损伤，并导致致癌突变。然而，前期的流行病学研究结果却发现，70% 与吸烟有关的死亡发生在老年人中，而 80～90% 的终身吸烟者从未患肺癌。因此，从分子和遗传机制的角度解读人群队列中的这些观察结果是非常有必要的，但目前仍然缺乏全面的分子风险评估研究。

2022 年 4 月 11 日，来自阿尔伯特·爱因斯坦医学院的 Jan Vijg 教授领导团队在 Nature Genetics 发表了题为 Single-cell analysis of somatic mutations in human bronchial epithelial cells in relation to aging and smoking 的研究文章，他们利用单细胞多位移扩增（single-cellmultiple displacement amplification, SCMDA）的方法，对 14 名年龄在 11～86 岁的不吸烟者和 19 名 44～81 岁的吸烟者的近端支气管基底细胞（PBBCs）进行了单细胞维度的全基因组体细胞突变谱分析。

研究结果表明，随着年龄的增长，基因突变的频率会逐渐增加，包括单核苷酸变异（SNVs）和小片段插入和缺失（INDELs）。而在吸烟者中，这些突变的频率则会显著更高。这符合长期以来人们关于吸烟会通过触发正常肺细胞中的 DNA 突变而导致肺癌的认知。

该研究的另一项发现是：在肺细胞中检测到的细胞突变数量一开始随着吸烟年数的延长而直线增加，但有趣的是，细胞突变的增加在暴露了 23 包年（每天吸烟的包数 x 吸烟年数）后停止了。这种突变的趋于平稳可能源于这些人拥有更熟练的修复 DNA 损伤或解毒香烟烟雾的能力。

图片来源：Nature Genetics

为了识别体细胞突变并准确评估其在正常组织中的频率，该团队在 2017 年开发了一种改进的单个细胞基因组测序方法，即 SCMDA。正如 Nature Methods 杂志所报道的那样，相比于传统单细胞全基因组测序方法，这种方法能够精确定量单细胞全基因组分析中的突变，同时避免了长期的克隆扩增和额外突变的引入。

图片来源：Nature Methods

主要研究内容

研究整体设计

为了描述 PBBCs 的单细胞突变谱，该研究共纳入了 33 名志愿者，他们在支气管镜检查过程中捐献了 PBBCs。其中包括 14 名不吸烟者和 19 名吸烟者，在这 19 名吸烟者中，14 人被诊断出患有肺癌，而只有 1 名从不吸烟的人患有肺癌。在获得了 PBBCs 单细胞后进行全基因组建库和测序，随后进行数据分析。

图片来源：Nature Genetics

不吸烟者中与年龄相关的 PBBCs 突变积累

在对基因组覆盖率和检测敏感性进行了校正之后，研究人员首先评估了从不吸烟人群 PBBCs 体细胞突变（包括 SNVs 和 INDELs）的突变频率与年龄关系。

结果发现，单细胞中 SNVs 的分析结果显示每个细胞每年约发生 28 个突变；另外，INDELs 的中位数也被发现随着年龄的增长而增长，每年每个细胞大约有两个 INDELs，尽管缺乏统计学意义。

图片来源：Nature Genetics

吸烟者 PBBCs 的突变频率及其影响的评估

接下来，他们研究了吸烟者 PBBCs 中的突变积累随年龄的变化并将其与不吸烟者进行比较。分析结果显示，与不吸烟者相似，吸烟者细胞中的突变频率同样随着年龄的增长而增加，并且增加速度显著提高，每年每个细胞约发生了 91 个 SNVs 事件，比从不吸烟者多了 63 个。对于 INDELs，在所有参与者中均观察到随着年龄的增加趋势，其中，44～81 岁吸烟者的 INDELs 频率整体高于同龄的不吸烟者。

图片来源：Nature Genetics

为了更好地了解吸烟与突变负担之间的关系，他们分析了 PBBCs 突变频率与累积吸烟剂量的函数关系。结果发现，突变频率与吸烟剂量的线性增加关系到 23 包年后就不存在了。此外，分组分析结果也清楚地表明，重度吸烟者（大于 60 包年）的 PBBCs 突变频率并不高于中度吸烟者（20.1~60 包年）。

图片来源：Nature Genetics

为了确定吸烟相关突变的潜在功能影响，他们比较了吸烟者功能性基因组的突变积累率和整体基因组的突变积累率。他们发现，与年龄和吸烟相关的突变在功能基因组中积累的速度比在非功能基因组中慢，这一结果可能可以用功能基因组更有效的 DNA 修复来解释。

图片来源：Nature Genetics

癌症驱动基因突变的分析

虽然体细胞突变通常是随机的，但它们可以基于对其宿主细胞的选择性优势而被放大，这一过程在癌症发生中已有充分的研究报道。因此，他们进一步分析了已知肺癌和泛癌驱动基因体细胞突变的数据集。在吸烟者和非吸烟者中检测到的 10 万个突变中，肺癌驱动基因中的 21 个突变发生在 11% 的细胞中；泛癌驱动基因的 111 个突变发生在 50% 的细胞中。然而，这些体细胞突变在肺癌或泛癌驱动基因中没有显著的突变富集。

图片来源：Nature Genetics

突变特征分析

最后，他们分析了与年龄或者吸烟相关的突变特征。吸烟者 PBBCs 的单碱基突变（single-base substitution, SBS）特征分析显示了 SBS4 的存在，而 SBS4 在从不吸烟者中几乎是不存在的。此前，SBS4 已被证实为吸烟者肺癌的主要特征。尽管吸烟者中 SBS4 的突变数量显著增加，但这种增加与年龄无关。

此外，SBS5 突变与吸烟状况显著相关，但与年龄的相关性更强。在吸烟者和不吸烟者中提取的其他 14 个特征也都与各种分子机制有关。这些发现表明，正常组织中衰老和吸烟相关突变的分子机制与肿瘤相似。

图片来源：Nature Genetics

结语

综上所述，在这项研究中，他们对年龄不等的 33 名参与者，包括 14 名不吸烟者和 19 名吸烟者的 PBBCs 进行了单细胞维度的体细胞突变谱分析，总体结果表明所有参与者的 PBBCs 的突变均会随着年龄的增长而积累。在吸烟者中，这些突变的频率则会显著更高。

更加有趣的是，吸烟者基因突变频率的剂量依赖性在 23 包年左右后就趋于稳定，也就是说重度吸烟者的基因突变负担与轻度吸烟者并没有显著差异。这可能是个体对突变诱导的适应性增强，比如更准确或更强劲的 DNA 修复。

本研究通讯作者 Simon D. Spivack 教授说到：「最严重的吸烟者并没有最高的基因突变负担，尽管这些人大量吸烟，但他们能够存活这么久，可能是因为他们成功地抑制了进一步的突变积累。这种突变的平衡可能源于这些人拥有更加精确的修复 DNA 损伤系统。」

Jan Vijg 教授还提到：「我们的研究还开辟了一个新的研究方向。我们现在希望开发一种新的检测方法，可以测量一个人的 DNA 修复能力，而这可以提供一种新的方法来评估一个人患肺癌的风险。」