Nature子刊揭示：为何大多数”烟不离手”的人，却没有患肺癌

“吸烟有害健康”这是我们经常在烟盒上看到的提示语，起源于联合国《烟草控制框架公约》的有关规定。

吸烟几乎会伤害我们身体的每一个器官，并增加患多种疾病的风险。在你吸入第一口烟之后的10秒内，烟草烟雾中的有毒化学物质就会到达你的大脑、心脏和其他器官。其中，大约80%的肺癌都是由吸烟引起的。尽管吸烟的危害如此大，但鉴于事实上只有10%到20%的吸烟者会患上肺癌，这也使得一些吸烟者抱有侥幸心理。

为什么大多数的吸烟者并没有患上肺癌呢？近日，纽约阿尔伯特爱因斯坦医学院的研究人员在一项新研究中对这一问题做出了解答。其中，上海交通大学医学院单细胞组学与疾病研究中心外方主任Jan Vijg教授等构思了这项研究并设计了实验。

研究人员表示，尽管是否患肺癌受到性别、吸烟状况和健康状况等多方面的影响，但一些吸烟者没有患上肺癌可能不仅仅是运气的问题。也就是说，有些吸烟者可能具有强大的内在机制或抵抗力，能够限制肺部细胞的突变，从而避免了肺癌的侵害。

相关研究成果以题为“Single-cell analysis of somatic mutations in human bronchial epithelial cells in relation to aging and smoking”的研究论文于4月11日发表在期刊《Nature genetics》上。

图源：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01035-w

据现有研究推测，吸烟会通过诱发肺细胞DNA突变而导致肺癌。为了识别体细胞突变并准确估测突变频率，研究人员采用了单细胞全基因组测序 (WGS)技术。该研究使用的是研究成员Jan Beig教授在几年前开发的一种改进的单细胞全基因组测序方法(SCMDA)，可以准确量化正常细胞中的突变。

基于SCMDA技术，研究小组对14名11至86岁的非吸烟者和19名44至81岁的吸烟者进行了近端支气管基底细胞(PBBCs)的单细胞全基因组测序，比较了他们的正常肺上皮细胞的突变状态。其中，在19名吸烟者中有14人被诊断出患有肺癌，而非吸烟者中只有1名患有肺癌。

为了表征突变谱，研究人员首先从参与者的主叶支气管获取气道上皮样本，并进行短期繁殖3-4周以选择 PBBCs 的生长，然后在-80℃下速冻。然后通过细胞形态学评估参与者的未培养样本的子集，以确保初始样本中没有明显的恶性细胞。之后，从冷冻的PBBC颗粒中分离出细胞核，并确定每个参与者三到八个单个细胞核的突变频率和光谱。

从人肺中分离、处理和分析PBBC的示意图

接下来，研究者分析了与衰老或吸烟相关的体细胞突变特征的数据集。通过分析参与者PBBCs中的单碱基取代(SBS)特征，研究发现吸烟者中存在SBS4，而非吸烟者几乎不存在SBS4（其中，SBS4是已被证明的吸烟者肺部肿瘤的主要特征）。这表明SBS4的突变数量在吸烟者中显著更高，不过它与年龄无关。同时，研究发现SBS5的突变数量与是否吸烟显著相关，并显示出与实际年龄更强的相关性。

研究结果表明，人类肺中的细胞突变随着年龄的增长而积累，并且在吸烟者的PBBC中水平更高。该研究首次通过实验证实了吸烟能够通过增加体细胞突变的频率来增加肺癌风险。

归因于SBS5的SNV的中位数与个人年龄的关系

为了将突变频率建模为包年的函数，研究人员使用了带有或不带有异常值参与者的负二项式混合效应模型。在没有异常值的情况下，突变频率线性增加至23 包年（一包年指的是在一年时间里每天吸一包烟），然后保持不变。当包括异常值参与者时，突变频率的非线性增加与没有异常值的情况基本相同。研究数据表明，重度吸烟者（>60包年）PBBC中的突变频率并不高于中度吸烟者（20.1-60包年）的突变频率。

这意味着，吸烟者突变频率的剂量依赖性在23包年左右趋于平稳，重度吸烟者与中度吸烟者的突变频率没有显著差异。这表明，某些个体的内在因素可以通过减少突变来降低肺癌风险，例如通过提高DNA修复准确性或通过优化对烟草烟雾的解毒能力来减少DNA损伤。

不同吸烟包年人群的SNV频率

这项研究再次证明了吸烟会增加患肺癌的风险，同时也首次解释了大多数吸烟者没有患肺癌的原因。这些研究发现有助于更早地识别出那些具有更高患病风险的吸烟者，从而在预防和早期发现肺癌风险方面迈出重要的一步。值得期待的是，该团队计划进一步开发测量DNA修复或解毒能力的方法，研究一种能够评估肺癌风险的新方法。（生物谷 bioon)

参考资料：

1. https://www.nature.com/articles/s41588-022-01035-w

撰文｜阿权

编辑｜小耳朵

Jan Vijg教授，现任美国纽约阿尔伯特爱因斯坦医学院遗传学系主任，上海交通大学医学院单细胞组学与疾病研究中心外方主任和教授。1987年在荷兰莱顿大学获得博士学位；1993年创立荷兰Ingeny B.V生物技术公司；曾先后就职于哈佛医学院、德克萨斯州圣安东尼奥健康科学中心、美国加州诺瓦托巴克研究所。1989年首次建立了染色体损伤和衰老关系的体内突变转基因小鼠模型。作为单细胞研究领域著名专家，衰老的基因组不稳定性学说主要代表人物，长期从事基因组不稳定性和衰老研究，美国国家卫生研究院（NIH）资深评审专家，并30年稳定获得NIH经费支持，在Nature、Science、Cell、PNAS、Nature Communications等国际杂志发表学术论文300余篇，发表专著3部，发明专利8项，任Nature、Nature Review、Annual Review、Cell等杂志约稿专家。

上海交通大学医学院单细胞组学与疾病研究中心成立于2019年，依托公共卫生学院管理（中心执行主任为上海交通大学医学院公共卫生学院王慧院长），致力于建成单细胞组学与疾病研究领域国际知名科研机构。该中心搭建单细胞分离与鉴定平台、单细胞基因组学平台、单细胞蛋白质组与代谢组平台、单细胞多组学生信分析平台，从单细胞基因组学、单细胞蛋白质组学、代谢组学和单细胞精准医疗等方面开发、优化单细胞生物学中的新方法，为单细胞层次的细胞特性和功能提供新观点，向高校、医院及社会提供高质量的技术服务；同时围绕“衰老、肿瘤、重大慢病及脑科学”，深入研究疾病发生的遗传异质性和代谢通路网络异常，推进转化医学研究。