Nature?|?LINE-1在肺腺癌進化中的新機制

撰文 |咸姐

肺癌是全球第二常見的癌癥，也是癌癥相關死亡的首要原因，其中肺腺癌（LUAD）是最主要的組織學亞型。深入了解腫瘤的演化過程不僅有助于揭示其進展機制，也為制定早期攔截策略和精準治療方案提供了關鍵線索。然而，以往針對LUAD演化模式的研究多基于靶向或外顯子組測序，難以全面捕捉復雜的結構變異和轉座子元件的參與，尤其是長散在核元件-1（LINE-1，簡稱L1）在LUAD進化中的作用尚不明確。L1作為人類基因組中含量最豐富的可移動遺傳元件，通常在體細胞中處于沉默狀態，但在多種癌癥中異常激活，可能通過誘導DNA雙鏈斷裂、基因組不穩定性等方式推動腫瘤異質性與進展【1,2】。此外，吸煙史、遺傳背景、性別等因素如何影響LUAD的演化軌跡，仍是領域內亟待解決的重要問題。

近日，來自美國國家癌癥研究所的Maria Teresa Landi團隊在Nature上在線發表題為Uncovering the role of LINE-1 in the evolution of lung adenocarcinoma的文章，依托龐大的“Sherlock-Lung”研究計劃，對1,024例LUAD樣本進行深度全基因組測序并整合多組學數據，系統描繪了LUAD的進化圖譜，解析不同種族、吸煙史及性別背景下的演化軌跡，并重點關注了L1活化、突變特征ID2的起源及其與臨床預后的關聯，揭示了LUAD演進的關鍵驅動機制，為早期篩查、預后評估和靶向治療提供新的生物學依據。

本文研究人員首先從1,024例LUAD樣本中篩選出542例具有高亞克隆分辨率的LUAD樣本，對其進行了深度全基因組測序與多組學時序重建，揭示了不同吸煙狀態與種族背景下關鍵基因組事件的發生順序及其動態特征。研究發現，不吸煙者（尤其是東亞與歐洲裔）的腫瘤在演化早期即出現全基因組復制事件，顯著早于吸煙者群體，提示其更早獲得基因組不穩定的潛能；同時，吸煙者腫瘤中由煙草暴露驅動的KRAS基因突變（特別是C:G>A:T顛換）多在克隆階段早期出現，扮演著腫瘤啟動的關鍵角色，而不吸煙者腫瘤則主要由內源性過程相關的EGFR基因早期克隆性突變驅動。與此同時，研究人員系統解析了不同突變過程在腫瘤演化時序中的動態作用模式，發現外源性暴露相關的突變特征（如煙草相關的SBS4）主要在腫瘤演化早期發揮作用；相反，多種內源性或未知原因的突變特征則在亞克隆階段更為活躍，包括APOBEC相關特征（SBS2與SBS13）以及未知病因的SBS17a/b特征——其中SBS17a在東亞裔不吸煙者腫瘤中完全缺失，SBS17b也極為罕見，揭示了突變過程可能受到種族或暴露背景的特異性調控。

隨后，研究人員利用CpG>TpG這類像“分子時鐘”一樣穩定累積的突變，推算了腫瘤從最近共同祖先（MRCA）出現到被診斷的時間間隔，即“腫瘤潛伏期”。結果顯示，攜帶EGFR突變的腫瘤具有顯著更長的潛伏期，尤其在女性非吸煙者中最為明顯，而KRAS突變則與較短的潛伏期相關（尤其在不吸煙者中差異達9-10年）。與此同時，研究還發現，插入缺失特征ID2與腫瘤潛伏期縮短的關聯最為強烈，且ID2缺失負荷與潛伏期呈顯著負相關；外源性特征SBS17a也顯示出與較短潛伏期的相關性。多變量分析進一步確認ID2特征、EGFR突變狀態及女性性別是影響潛伏期的獨立因素，其中ID2效應最強，這揭示了突變過程與特定驅動基因共同塑造了LUAD迥異的生長速度，為理解腫瘤進展異質性提供了關鍵時序視角。

進一步地，研究人員對攜帶ID2突變特征的LUAD亞群進行了全面的“肖像刻畫”。研究發現，ID2陽性LUAD在臨床上極具侵略性，患者總體生存期更短，腫瘤更容易發生轉移。RNA測序顯示其細胞周期與增殖相關通路被強烈激活，增殖標志物高表達；基因組則處于高度不穩定狀態，頻繁伴隨TP53突變和全基因組復制事件；腫瘤微環境呈現嚴重缺氧狀態。更重要的是，這類型腫瘤的新抗原產生能力是所有突變特征中最弱的，且腫瘤內部殺傷性T細胞等免疫細胞浸潤顯著減少。這意味著ID2陽性腫瘤不僅長得快、基因組亂，還擅長“免疫逃逸”，解釋了其惡性預后。那么，導致這一系列惡劣特性的核心原因是什么呢？答案是L1的異常復活。研究人員發現，在ID2陽性腫瘤中，L1插入基因組新位置的事件（即反轉錄轉座）顯著增多。深入分析發現，這些新增的L1插入大多來源于預先存在的生殖系L1元件，提示其在早期克隆擴增中可能發揮作用。統計分析進一步揭示了生殖系來源的L1插入與ID2特征之間存在強顯著關聯，兩者在數量上高度共變。值得注意的是，ID1（堿基插入特征）與ID2（堿基缺失特征）共享相似的富A/T基序，且均與L1活性相關，暗示其背后存在共同的病因學基礎——即L1 ORF2p內切酶在識別并切割類似“TTTTT”序列時，可能通過DNA損傷修復過程導致此類單位點插入缺失突變。這種L1插入與ID2缺失負荷的正相關關系在東亞裔非吸煙者、歐洲裔非吸煙者及吸煙者所有亞組中均一致成立，并在獨立TCGA肺腺癌隊列中得到有效驗證。此外，對體外培養的癌細胞系克隆和正常結直腸上皮單細胞克隆的再分析進一步確認，即使在非腫瘤環境中，新獲得的L1插入事件仍與ID1/ID2突變負擔顯著相關，從而在多個生物學層面證實L1反轉錄轉座是直接貢獻于ID2特征生成及其所標記的基因組不穩定的核心分子過程。

與此同時，研究人員通過全基因組甲基化分析發現，ID2陽性腫瘤存在廣泛的低甲基化。為直接驗證L1的調控機制，研究人員針對位于染色體22q12.1上的一個特定生殖系L1啟動子區域，對80例樣本進行了高精度靶向測序，結果顯示，與正常肺組織相比，ID2陽性腫瘤中該啟動子區域的CpG位點甲基化水平顯著降低，且甲基化程度與ID2負荷呈負相關。這直接導致了L1轉錄本水平的升高。特別值得注意的是，即使在已戒煙的患者組織中，L1 RNA水平也較高，提示煙草暴露可能造成了持久甚至不可逆的表觀遺傳改變，為L1的長期活化埋下伏筆。為了進一步探究影響吸煙者和非吸煙者體內L1啟動子甲基化的因素，研究人員分析了Kruppel相關盒鋅指蛋白（KRAB-ZFP）——作為最大的轉錄因子家族，KRAB-ZFP能夠以細胞類型特異性的方式沉默包括L1在內的轉座子元件。結果顯示，ZNF695在LUAD腫瘤組織（尤其是ID2陽性亞群）中表達上調最為顯著，其表達水平與ID2缺失負荷及L1插入數量均呈強正相關，且獨立于其他臨床協變量。ZNF695的結合基序在ID2陽性腫瘤中低甲基化的L1啟動子區域顯著富集，且其表達與腫瘤（而非正常組織）中特定L1啟動子（22q12.1）的甲基化水平呈負相關，提示其可能參與DNA去甲基化調控。單細胞多組學分析進一步發現，ZNF695在潛在肺癌起源細胞（如增殖性肺泡II型細胞）中高表達，且其表達與同一細胞中L1 RNA水平升高相關。尤為關鍵的是，在ID2陽性腫瘤中，缺乏DNA結合結構域的非經典ZNF695轉錄本比例異常升高，這些截短體可能通過顯性負效應競爭性干擾經典ZNF695蛋白的功能，阻礙其正常招募DNA甲基轉移酶至L1啟動子，從而解除對L1的表觀遺傳沉默。

綜上所述，在這項關于LUAD演化的全面研究中，研究人員通過對高克隆性樣本進行深度全基因組測序和多組學分析，確定了各類基因組變化的相對時序，并檢驗了它們與煙草暴露、人口學因素及臨床結局的關聯。最終描繪了LUAD不同的演化路徑，強調了ID2作為一種與L1活性相關的快速腫瘤生長標志，并提出ZNF695是L1再激活的推定調控因子，這些發現提供了具有潛在預后和治療意義的機制性見解。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09825-y

制版人： 十一

參考文獻

1. Yates, L. R. & Campbell, P. J. Evolution of the cancer genome.Nat. Rev. Genet.13, 795–806 (2012).

2. Rodriguez-Martin, B. et al. Pan-cancer analysis of whole genomes identifies driver rearrangements promoted by LINE-1 retrotransposition.Nat. Genet.52, 306–319 (2020).

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