【Gene 愛聊科學】隨著衰老,我們大腦中的突變逐漸積累

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Dr. Vahram Haroutunian holds a human brain in a brain bank in the Bronx borough of New York City, New York, U.S. June 28, 2017. Picture taken June 28, 2017. REUTERS/Carlo Allegri - RC1768FE4310
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DNA 突變在人類基因體中以穩定的速度積累,從一代傳到下一代。根據所共享的突變多寡,可以用來重建古代人和現代人的譜系關係,使人們在人類演化歷史上可以回溯數十萬年之久。

我們的體細胞也會發生突變,嚴重的會導致癌症,那自發的非致癌體細胞突變對我們的人生有何影響呢?兩組科學家分別估算了人腦發育和衰老細胞中 DNA 突變率,揭示了神經發育、衰老和神經退化性變化的歷史。這些方法也有助於理解可能由於生命後期出現的體細胞突變(如癌症)所導致的複雜疾病 [1]。

卵或精子 DNA 的新生突變可能讓人年紀輕輕就罹患疾病。這些「生殖系突變」(germline mutations)能夠被輕易檢測到,因為身體內的所有細胞都會擁有生殖系突變。隨著時間的推移,體細胞也會獲得突變,無論是因為在 DNA 複製期間引入的錯誤,或在轉錄和其他過程中引起的損傷都會造成體細胞突變。

如果隨著人類年齡的增長,分裂細胞發生突變,它們僅能在有限數量的細胞中被發現,導致組織突變鑲嵌(tissue mosaicism)。因為體細胞的特定突變僅存在我們全部細胞的小部分,過去無法有效研究。但是,直到最近的技術發展,才能夠從單個細胞的微量 DNA 中進行全基因體定序,接著研究這種體細胞突變的性質和程度,以及由此產生的組織鑲嵌現象。

研究組織內細胞突變的遺傳模式可用於建立突變的時間或譜系關係,才能更好地理解組織突變鑲嵌在人類疾病中的作用。第一個研究分析了出生前大腦中體細胞突變的發生率和起源,隨著胎兒發育,突變變得更為常見,這些突變可能導致功能性改變,包括神經精神病或神經發育障礙 [2];第二個研究探討突變在生命後期是否繼續發生,以及不分裂細胞中的 DNA 突變是否與神經退化性疾病相關 [3]。

為了研究這些在發育或衰老期間出現的體細胞突變,精準的單細胞全基因體定序法是必要的。這種方法需要靈敏的全基因體擴增技術;然而,DNA 鹼基在損壞在擴增時也會引入額外的錯誤。事實上,單細胞全基因體定序中假陽性單核苷酸突變〔也稱為單核苷酸變異(single nucleotide variations, SNV)〕的數目可高達一萬個,遠遠超過自然存在的 SNV(每細胞百個至千個)。即使在癌症或人口基因體定序計畫中,導致突變 DNA 損壞也可能是罕見 SNV 定序錯誤的主要來源 [1]。

美國耶魯大學的 Flora Vaccarino 等人透過在來自三個人胎兒腦的培養神經元前驅細胞的單細胞增殖方法來解決這個挑戰。他們定序了三個人類胎兒屍體(15 週、17.5 周和 21 週後)的前腦細胞的單細胞基因體。他們不是直接擴增定序的細胞基因體,因為會導致錯誤,他們利用胎兒神經元細胞複製的能力,並從個別腦細胞中增殖以產生足夠的 DNA 進行定序。

他們發現,平均而言,每個細胞含有 200 至 400 個 SNV,而且很大程度上是隨機分佈在整個基因體中的。脾細胞中也有一小部分 SNV 存在,這顯示它們發生在中胚層和神經外胚層組織的分化之前,即胚胎原腸胚形成之前。

透過確定不同年齡的胎兒的突變數目,並了解細胞分裂的平均速度,他們能夠計算神經發生過程中的平均突變率,即每個細胞每次分裂有 5.1 個突變。他們的計算進一步外推到發育時期,他們發在早期胚胎的突變率是每個細胞每次分裂有 1.3 個突變。

哈佛醫學院和波士頓兒童醫院的 Christopher Walsh 等人採取了不同的方法,他們研發出新演算法。從 15 個年齡在 4 個月至 82 歲的人的屍體大腦中研究單個細胞基因體。因為在這些年紀,大多數神經元已經失去了複製的能力,增殖擴大培養細胞是不可能的。因此,他們直接從每個細胞中萃取 DNA,並把其擴增用於定序。

他們發現,一個神經元在起始於嬰兒期就約有 600 個突變,並且這種突變每兩週就會累積一次,所以到 80 歲的時候神經元就有大約 2,400 個突變,和 Vaccarino 等人的發現相去不遠。

他們還觀察了來自兩個由 DNA 修復酶缺陷引起的神經退化的腦細胞,發現他們的 SNV 比同齡的對照大約多 2.5 倍。大約百分之一的突變可能是功能性的,因為它們會破壞一種蛋白質,所以到了 80 歲的時候,大約一千個神經元中就有一個基因被搞壞。因此,突變累積可能可以解釋年齡相關的認知能力下降。

Walsh 等人還指出,SNV 的類型隨著年齡而變化,顯然由氧化損傷引起的 SNV 在老年人中更為普遍。這與之前的文獻相吻合,說明大腦老化的一個原因可能與氧化損傷有關。還有待確定的不僅是這些突變是否可能影響一個人發展某些神經疾病的可能性,而且在發育過程中這些突變是否實際上可能是建立大腦內基本細胞多樣性的重要部分 [4]。

這兩個研究都得益得單細胞全基因體定序技術的快速發展,未來更多的研究將有助於深入瞭解這些體細胞突變對疾病和老化的影響。

參考文獻:

1) J. H. Lee. Tracing single-cell histories. Science 359, 521 (2018).
2) T. Bae et al., “Different mutational rates and mechanisms in human cells at pregastrulation and neurogenesis,” Science 359, 550 (2018).
3) M.A. Lodato et al., “Aging and neurodegeneration are associated with increased mutations in single human neurons,” Science 359, 555 (2018).
4) R. Williams. Thousands of Mutations Accumulate in the Human Brain Over a Lifetime. The Scientist. December 7, 2017.

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