细胞倍增过程中体细胞突变积累及表观遗传学变化

The accumulation of somatic mutations and their relationship with phenotypes is a fundamental question of the human genetics and genomics. Previous research were mainly based on indirect speculation from frequencies of somatic mutations in cancer genomes. Dissecting the accumulation process and the correlation with phenotypes will provide new insights in the genesis of disease and tumor. Here, we attempt to directly characterize the accumulation process of the somatic mutation using human cell models, in which each generation of cell populations can be obtained. In selected generations of human lymphoblastoid cells and endothelial cells of human umbilical vein, we will conduct the sequencing analyses of the whole genome, transcriptome, and H3K4mer3 ChIP DNA, as well as array analysis of DNA methylation. By the integration of these omics data, we will be able to uncover the dynamic changes of during the process of somatic mutation accumulation, and to learn their correlations with epigenetic modification and gene expression. This project focuses on the critical questions regarding the effect of somatic mutation. By these omics analyses, it will, for the first time, reveal the accumulation of mutations in cell models, and correlate mutations with cellular phenotype at the molecular level. It will provide fundamental data for more insights on the mechanisms contributing to the somatic mutation occurrence and crucial consequences.

体细胞突变的积累过程及与表型的关联性是遗传与基因组学的重要内容。目前研究多通过对肿瘤基因组的体细胞突变频率关系进行间接推断，缺乏直接特别是对正常细胞突变积累过程的研究。阐明体细胞突变积累过程及与表型的关联，将为包括肿瘤在内的疾病发生发展研究提供基础数据。 项目拟利用细胞模型传代可控的优势分析体细胞突变积累过程。通过对淋巴母细胞及脐带内皮细胞进行50代培养，对终末及中间若干代次进行全基因组、转录组、组蛋白H3K4mer3测序和DNA甲基化芯片分析，确定传代过程体细胞突变的动态变化和所引起的表观遗传学修饰改变及基因表达改变。 本项目关注体细胞突变研究热点问题，将首次利用今年2月推出的最新高通量较低成本测序体系，通过大规模基因组学研究方法，实现对体细胞突变在细胞模型中的积累过程的描述，并初步确定该过程与细胞分子表型变化的关联，将为后续更深层次揭示体细胞突变产生的原因及造成的结果的重要基础。

体细胞突变的累积模式及与表型的关联性是遗传与基因组学的重要内容。结合前期在健康个体中突变模式的分析结果，在本项目中扩大正常细胞样本，进一步分析正常细胞中存在的突变模式，同时结合转录组数据分析和数量性状关联分析确定了突变累积的影响因素。以及利用细胞传代实验来研究特定环境下突变累积情况。.首先通过收集55例正常细胞的突变数据，发现在正常细胞中普遍存在两种突变模式。其中一种突变模式的主要特征是在NpCpG三碱基形式上的C>T突变，该突变模式已报道与胞嘧啶的自发脱氨基相关，且随着个体年龄增加累积。另一种突变模式是首次被发现，该突变模式的主要特征是GpCpN三碱基形式上的C>T突变。进一步利用The Cancer Genome Atlas (TCGA) 数据库中的22种肿瘤，3,827个样本的突变数据发现在19.6%的肾透明细胞癌的肿瘤细胞中存在高比例的GpCpN位点上的C>T突变。对这部分肾透明细胞癌的表达谱进行分析发现这些肿瘤细胞的低氧诱导通路活性更高，提示新发现的这种突变模式的产生与低氧诱导通路的活化相关。.同时利用人胚胎干细胞进行细胞培养和传代，通过对其中一组细胞加入ML228小分子激活低氧诱导通路研究该通路对细胞传代过程中突变累积的影响。结果发现，低氧诱导通路的激活使得这组细胞比没有加入小分子的细胞累积了显著高比例的GpCpN位点上的C>T突变 (0.17 vs. 0.07, p = 0.0091)。说明了低氧诱导通路的激活能够促进传代过程中GpCpN位点上的C>T突变的累积。进一步利用数量性状关联分析，在40例样本中发现DNA甲基化相关基因上的多态影响着这两种突变模式在个体中的比例，提示表观调控因子影响个体中突变模式的比例。鉴于低氧诱导因子通路在细胞发育中的重要作用，本项目进一步解析了低氧诱导通路活化对于细胞表型的影响，并发现该通路激活是导致近视发生的一个重要因素。.这些结果对于了解突变在正常细胞中的累积情况，以及在疾病尤其是肿瘤发生早期的突变累积规律有着重要的意义。为后续更深层次揭示体细胞突变产生的原因及造成的结果提供了重要的研究基础。