Cell | Cheng-Zhong Zhang/鲍春旸等揭示X染色体突变和癌症的性别差异之间的联系

在该论文中，研究人员通过全集因组测序和全转录组测序分析了X染色体在Xp11易位性肾细胞癌（Xp11 translocation renal cell carcinoma, tRCC）中的突变和进化，以及这些突变在男性和女性患者之间的差异。常见的肾癌，比如透明细胞肾细胞癌 （clear cell renal cell carcinoma, ccRcc）或者乳头状肾细胞癌(papillary renalcell carcinoma，pRCC)，通常在男性中的发病率明显高于女性（约为1.9:1），且主要发病年龄集中在60至70岁之间。Xp11易位性肾细胞癌是一种相对罕见且侵袭性强的恶性肿瘤，其发病年龄相对较早，通常在20至30岁之间，且在女性中的发病率明显高于男性。驱动Xp11易位性肾细胞癌的关键突变是位于X染色体上的转录因子结合IGHM增强子3（TFE3 transcription factor binding to IGHM enhancer 3）与其他基因形成的融合基因。

由于女性基因组中有两条X染色体，而男性只有一条，对于此类肾癌在女性中较高的发病率，一个直观的解释是该性别差异可能与额外的X染色体有关。然而，女性基因组中的两条X染色体会有一条在发育过程中因失去活性而只表达少量基因。究竟这个失活的X染色体能否产生致癌突变仍属未知。解决这个问题需要对女性基因组中两个X染色体的突变和表达分别进行分析，特别是在癌症背景下。在之前的研究中，来自Cheng-Zhong Zhang团队的鲍春旸博士针对全基因组测序数据开发了一种全新的生物信息学方法。该方法可以检测单条亲本染色体的突变，包括DNA拷贝数变异，重排和单碱基变异。在本文中，作者将这些方法应用于X染色体的分析，并得到以下发现。

TFE3基因融合驱动Xp11易位性肾细胞癌的关键突变是位于X染色体上的TFE3基因融合，包括X染色体内部的重组（左），X染色体与常染色体的易位（中）和复杂的基因融合（右）（Credit: Cell）

其次，失活的X染色体主要通过与常染色体的易位（translocation）形成TFE3基因融合。对于有活性的X染色体，致癌突变既可以通过X染色体与常染色体之间的易位，也可以通过X染色体内部的重组产生。对于失活的X染色体，要产生致癌突变需要重激活致癌基因。作者推测后者只能通过失活的X染色体常染色体之间的易位来实现。为了验证这一推测，作者收集了203例已有的Xp11易位性肾细胞癌病例，包括复旦大学丁琛课题组的80例和四川大学曾浩课题组的64例。

通过分析不同类型的TFE3基因融合，作者发现X染色体与常染色体形成的基因融合在女性和男性中的比例接近2:1。相比之下，X染色体内部重组形成的TFE3基因融合（来源于有活性的X染色体）在女性和男性中的比例接近1:1。上述结果表明，在女性患者中有活性和失活的X染色体参与TFE3基因融合的几率接近1:1。这一发现为解释女性中此类肾癌的高发病率提供了分子生物学依据。此外，作者也在由TFE3基因融合驱动的其他癌症中验证了类似的性别差异。这些发现证实了失活X染色体产生的突变和癌症性别差异之间的直接联系。

X染色体与常染色体形成的基因融合在女性（紫色）和男性（青色）中的比例接近2:1（Credit: Cell）

研究进一步发现，失活的X染色体和常染色体共同参与的基因融合会导致相关染色体上出现大范围的转录失调。这种基因融合通过如下机制引发转录失调：在失活的X染色体部分被整合到常染色体上的基因会被重新激活（re-activation）；在常染色体上，一部分被整合到失活的X染色体的基因会受到位于X染色体失活特异性转录本（X Inactive Specific Transcript）的调控而沉默(silencing)。

失活的X染色体与常染色体形成的染色体易位导致大范围的转录失调（Credit: Cell）

最后，由于X染色体上包含许多必需基因，一旦这些基因的表达丧失，细胞将失去基本的生理功能。因此，在有活性的X染色体上，大片段的DNA缺失是细胞无法耐受的。相反，在失活的X染色体上，大片段的DNA缺失不会对细胞的生理功能产生直接影响，但X染色体与常染色体的重组可以对基因表达甚至细胞的生理功能产生间接影响。该研究首次阐明一个可以解释癌症性别偏差的基因组变异，首次证明一个体细胞变异可以逆转X染色体失活（这一过程在女性胚胎发育期间启动后一直稳定保持）。更广泛地说，失活X染色体产生的突变可能是在其他癌症中性别差异的基础。除了这些进展外，该研究也首次揭示了Xp11易位性肾细胞癌的全基因组特征。