文/黄贞祥
DNA 突变在人类基因体中以稳定的速度积累，从一代传到下一代。根据所共享的突变多寡，可以用来重建古代人和现代人的谱系关系，使人们在人类演化历史上可以回溯数十万年之久。
我们的体细胞也会发生突变，严重的会导致癌症，那自发的非致癌体细胞突变对我们的人生有何影响呢？两组科学家分别估算了人脑发育和衰老细胞中DNA 突变率，揭示了神经发育、衰老和神经退化性变化的历史。这些方法也有助于理解可能由于生命后期出现的体细胞突变（如癌症）所导致的复杂疾病[1]。
卵或精子DNA 的新生突变可能让人年纪轻轻就罹患疾病。这些「生殖系突变」（germline mutations）能够被轻易检测到，因为身体内的所有细胞都会拥有生殖系突变。随着时间的推移，体细胞也会获得突变，无论是因为在DNA 复制期间引入的错误，或在转录和其他过程中引起的损伤都会造成体细胞突变。
如果随着人类年龄的增长，分裂细胞发生突变，它们仅能在有限数量的细胞中被发现，导致组织突变镶嵌（tissue mosaicism）。因为体细胞的特定突变仅存在我们全部细胞的小部分，过去无法有效研究。但是，直到最近的技术发展，才能够从单个细胞的微量DNA 中进行全基因体定序，接着研究这种体细胞突变的性质和程度，以及由此产生的组织镶嵌现象。
研究组织内细胞突变的遗传模式可用于建立突变的时间或谱系关系，才能更好地理解组织突变镶嵌在人类疾病中的作用。第一个研究分析了出生前大脑中体细胞突变的发生率和起源，随着胎儿发育，突变变得更为常见，这些突变可能导致功能性改变，包括神经精神病或神经发育障碍[2]；第二个研究探讨突变在生命后期是否继续发生，以及不分裂细胞中的DNA 突变是否与神经退化性疾病相关[3]。
为了研究这些在发育或衰老期间出现的体细胞突变，精准的单细胞全基因体定序法是必要的。这种方法需要灵敏的全基因体扩增技术；然而，DNA 碱基在损坏在扩增时也会引入额外的错误。事实上，单细胞全基因体定序中假阳性单核苷酸突变〔也称为单核苷酸变异（single nucleotide variations, SNV）〕的数目可高达一万个，远远超过自然存在的SNV （每细胞百个至千个）。即使在癌症或人口基因体定序计画中，导致突变DNA 损坏也可能是罕见SNV 定序错误的主要来源[1]。
美国耶鲁大学的Flora Vaccarino 等人透过在来自三个人胎儿脑的培养神经元前驱细胞的单细胞增殖方法来解决这个挑战。他们定序了三个人类胎儿尸体（15 周、17.5 周和21 周后）的前脑细胞的单细胞基因体。他们不是直接扩增定序的细胞基因体，因为会导致错误，他们利用胎儿神经元细胞复制的能力，并从个别脑细胞中增殖以产生足够的DNA 进行定序。
他们发现，平均而言，每个细胞含有200 至400 个SNV，而且很大程度上是随机分布在整个基因体中的。脾细胞中也有一小部分SNV 存在，这显示它们发生在中胚层和神经外胚层组织的分化之前，即胚胎原肠胚形成之前。
透过确定不同年龄的胎儿的突变数目，并了解细胞分裂的平均速度，他们能够计算神经发生过程中的平均突变率，即每个细胞每次分裂有5.1 个突变。他们的计算进一步外推到发育时期，他们发在早期胚胎的突变率是每个细胞每次分裂有1.3 个突变。
哈佛医学院和波士顿儿童医院的Christopher Walsh 等人采取了不同的方法，他们研发出新演算法。从15 个年龄在4 个月至82 岁的人的尸体大脑中研究单个细胞基因体。因为在这些年纪，大多数神经元已经失去了复制的能力，增殖扩大培养细胞是不可能的。因此，他们直接从每个细胞中萃取DNA，并把其扩增用于定序。
他们发现，一个神经元在起始于婴儿期就约有600 个突变，并且这种突变每两周就会累积一次，所以到80 岁的时候神经元就有大约2,400 个突变，和Vaccarino 等人的发现相去不远。
他们还观察了来自两个由DNA 修复酶缺陷引起的神经退化的脑细胞，发现他们的SNV 比同龄的对照大约多2.5 倍。大约百分之一的突变可能是功能性的，因为它们会破坏一种蛋白质，所以到了80 岁的时候，大约一千个神经元中就有一个基因被搞坏。因此，突变累积可能可以解释年龄相关的认知能力下降。
Walsh 等人还指出，SNV 的类型随着年龄而变化，显然由氧化损伤引起的SNV 在老年人中更为普遍。这与之前的文献相吻合，说明大脑老化的一个原因可能与氧化损伤有关。还有待确定的不仅是这些突变是否可能影响一个人发展某些神经疾病的可能性，而且在发育过程中这些突变是否实际上可能是建立大脑内基本细胞多样性的重要部分[4]。
这两个研究都得益得单细胞全基因体定序技术的快速发展，未来更多的研究将有助于深入了解这些体细胞突变对疾病和老化的影响。
参考文献：
1) JH 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) MA 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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