癌癥的發展和進化通常是由突變的積累驅動。這些突變可能由多種來源引起，如暴露于紫外線和氧化應激等。然?同時發?的基因毒性事件導致的DNA堿基受損如何導致突變尚清楚。德國癌癥研究中心和愛丁堡大學的研究者近期在Nature Genetics（IF=30.1）上發表最新研究成果。他們提出一種新的策略，能夠在單細胞有絲分裂期間和單鏈分辨率下解析并量化單個細胞基因組進化的不同機制。

為區分慢性（活性氧，ROS）和急性（紫外線，UV）誘導的突變，研究者使用布魯克的單細胞光導系統將單個細胞在經歷急性UV損傷后第一次有絲分裂得到的兩個姐妹分離開。借助單細胞光導系統對單個細胞的精細操控和培養，研究者發現UV誘導的突變為姐妹細胞特異性事件，揭示全基因組的鏡像突變。這項研究也讓當前的轉錄相關ROS修復模型得到完善，證明了UV損傷的持續性，并對預測的損傷分離模型得到實驗驗證。研究者進一步利用F1雜交小鼠在體內證明可以將突變定相到肝腫瘤的單鏈DNA上。

該研究提出的體外和體內研究策略可被廣泛應用于分離和分析驅動癌癥基因組進化的探索中。

圖1. 急性和慢性損傷來源的基因組突變定相模型。

a.在有絲分裂姐妹細胞之間創建鏡像突變模式的突變分離模型。b.模型系統，用于研究ROS突變的逐漸積累和急性突變壓力。實驗包括標準細胞培養到紫外線照射，單細胞分選以及在第一次有絲分裂后將兩個姐妹細胞分離到單獨小室中，最后進行細胞增殖。

建立系統：

利用單細胞光導系統分離單次有絲分裂后的姐妹細胞

研究者利用單細胞光導系統在一次有絲分裂后物理分離兩個哺乳動物姐妹細胞。這讓測試有關DNA損傷和修復的幾種假設成為可能。布魯克的單細胞光導平臺通過光電定位技術實現對單個細胞進行無損操作，將細胞移動到芯片上的小室當中（圖1b）。該平臺可以在一次有絲分裂事件中進行延時成像追蹤細胞周期，在有絲分裂技術后物理分離姐妹細胞，并在芯片上對分離的細胞進行增殖培養。隨后將擴大的克隆群體導出到96孔板上并進行全基因組測序（WGS），使研究者能夠確定這些姐妹細胞的突變情況。儀器配備的軟件能夠對細胞增殖進行計數，在優化的培養條件下，細胞分裂的速度與標準細胞培養中測量的速度相當。

圖2. 利用單細胞光導系統在哺乳細胞中區分慢性和急性突變。

為了控制倍性和細胞周期，研究者通過慢病毒轉導將FastFUCCI載體整合到小鼠細胞系P388D1中。FUCCI（Fluorescent Ubiquitination-based Cell Cycle Indicator）使用在細胞周期特定階段降解的熒光團組合以標記細胞所處的細胞周期（圖2b）。布魯克的單細胞光導系統配備了與FUCCI熒光團兼容的激光器和熒光通道，可觀察到PF1細胞的細胞周期從G2/M期（綠色）到G1期（紅色）狀態之間的切換。

姐妹細胞分析區分漸進和急性誘變過程

研究者使用3秒的UVC照射細胞，導入進OptoSelect芯片上后選擇了7個經歷有絲分裂的細胞，并將來自7個獨立有絲分裂的14個子代姐妹細胞擴展為足夠大以進行全基因組測序的克隆集落。通過區分ROS和UV造成的不同突變特征以及突變頻率對不同的基因誘變過程進行區分。研究者發現，獨立克隆之間共享的突變很少見，這表明每個克隆都是進化軌跡的結果。UV突變對于每個姐妹細胞來說都是，而ROS突變可以細分為祖先突變和姐妹特細胞異性累積突變（圖3）。

圖3. 分析急性和慢性突變過程

有絲分裂姐妹細胞中的鏡像突變定相

在紫外線損傷后的第一次有絲分裂中，含有互補損傷的DNA鏈會分離成單獨的子細胞（圖4a）。如果發生姐妹染色單體交換（SCE）事件，受影響染色體上的等效位置顯示有絲分裂姐妹之間從混合不對稱到相反不對稱的轉變（圖4b）。分析結果表明，所有七對有絲分裂姐妹細胞在其基因組中都表現出鏡像突變的不對稱性（圖4d）。

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圖4. 有絲分裂姐妹細胞在整個基因組中具有鏡像突變分布。

此外，研究者還揭示紫外線損傷可以持續一個以上的細胞周期，從而驅動CC二核苷酸的多等位基因變異。慢性ROS損傷在階段性突變或轉錄相關修復中并不表現出鏈特異性。最后，研究者利用兩個SNP相差較大的親本小鼠進行雜交和化學誘變劑誘導，在單個染色單體水平上證明，幾乎所有突變都在F1小鼠的腫瘤中定相到一條DNA鏈上。

“這種巧妙的方法能夠追蹤單個受損細胞有絲分裂后的突變。通過這種方式，它有助于解決細胞如何接收和管理不同誘變劑留下的基因組疤痕。我們認為，這項技術對于那些有興趣了解和比較突變過程的人來說將是無價的。”

Saia Danovi，《自然遺傳學》高級編輯

“這是一篇令人振奮的論文，我期待其見諸出版。作者介紹了他們開發的在單個細胞分裂過程中追蹤突變（由誘導或者慢性突變引入）的研究方法。這一創新方法依賴于在受控的細胞分裂次數后通過微流控技術將細胞進行分離。這項研究成果具有很大影響力，實驗嚴謹，采用的方法和模型都創新性。“

John Maciejowski, MSKCC研究員

小 結

癌癥基因組進化被認為是達爾文過程，其中隨機突變和選擇壓力決定克隆擴增。該研究方法分離有絲分裂后的姐妹細胞，并將突變壓力與正選擇解耦，從而實現兩個等位基因的正向和反向鏈的命運跟蹤。

布魯克的單細胞光導平臺的關鍵貢獻在于它允許研究人員精確地操控單個細胞，在單次有絲分裂后物理分離姐妹細胞，并能在OptoSelect芯片上實現單細胞的培養。通過優化的細胞培養條件，能夠讓細胞在芯片上以接近常規細胞培養的速率增殖，同時保持基因組的二倍體狀態。布魯克的單細胞光導技術使用不僅解決了細胞周期狀態、細胞分裂次數和擴增速率的準確分析問題，而且使對細胞系進行遺傳改造并施加多種誘變劑的測試成為可能。