所有组织都会随着时间而老化，皮肤也一样，长期暴露在阳光下会加速皮肤的功能衰退。今天要给大家介绍的这篇研究，就是探索光老化（photoaging，指皮肤长期暴露于太阳辐射而发生的过早老化）以及其他众所周知的流行病学风险因素在正常人类表皮体细胞的突变积累过程中的作用，文章标题如下：
图1. 文章标题
研究数据：
作者对123名健康捐赠者的正常皮肤活检中的46个基因进行了深度测序，从中收集表型数据(包括年龄、色素相关的基因型和表型)和阳光照射史。
采集了不同部位的皮肤样本，按光照模式分为慢性光照(44例)和间歇性光照(79例)。
计算了所有样本的体细胞突变负荷、突变特征、克隆选择和驱动突变频率。
图2. 文章流程图
研究结果：
一、不同样本间突变负荷的变异性：
作者在数据集中共鉴定出5214个体细胞突变，每个样本平均42.39个突变(范围2-169)，对应平均每百万碱基中有132.47个突变(范围6.25-528.13, 如图3)。
图3. 样本集中体细胞突变总数和类型以及相关临床特征
图4. 模型中预测因子的相对重要性(B)和显著性水平(C)
通过使用对数线性多变量模型，作者解释了患者的各种表型和行为风险因素（包括性别、年龄、阳光照射史等），在该模型中突变负荷总方差能够较好地被所有变量组合解释 (adjusted-R2 = 49.88%)。根据多变量分析可以得到如下结果（如图5B）：
（1）年龄对于正常皮肤中体细胞突变的积累有着很强的影响：模型中年龄的解释总方差的比例最大 (55.16%)。
（2）晒黑能力的缺乏使人更容易患皮肤癌：个体的皮肤光感类型是第二强的预测因子，解释了17.92%的样本突变负荷差异。相比于低皮肤光感类型 (阳光照射后会晒伤的皮肤类型)，高皮肤光感类型 (阳光照射后会正常变黑但不会晒伤的皮肤类型) 个体的皮肤样本中积累的体细胞突变数量显著减少(β < 0)。
（3）身体部位受光照的模式（持续性 vs. 间歇性）并不显著影响正常细胞突变负荷的积累；
（4）年龄相关的突变负荷的增加会被个人的皮肤感光型所改变：考虑到年龄和光型是解释突变负荷的两个最重要的贡献者，作者根据皮肤光型定量评估了年龄相关的突变负荷。对于每种皮肤光型，作者使用对数线性模型确定了46个基因(0.32 Mb)每年增加的突变率(β, 如图5D)。虽然不同皮肤光型间体细胞积累速率都在增加，但在光型I中65岁时期望积累的突变数目为68.63 (95% CI: 40.65- 122.73)，而光型IV中期望积累的突变数目仅为14.22 (95% CI: 8.16- 20.54)
图5. 年龄对每种皮肤光型体细胞突变积累的影响
二、衰老和紫外线相关突变的增加：
在整个队列中，观察到C>T和CC>TT在双嘧啶位点 (TpC或CpC)上的突变占主导，这可能反映了6,4光产物的修复，以及由紫外线相关DNA损伤所导致的环丁烷嘧啶二聚体的产生（如图6A）。这些C>T替换会优先积累在非转录链（P= 4.21 × 10 − 4）, 这与转录耦合核苷酸切除修复(NER)的活性一致(如图6B)。
图6. 正常表皮体细胞突变谱
（1）随着我们年龄的增长，突变过程可能会以不同的方式塑造基因组：
作者使用deconstructSigs方法来分析潜在突变过程。在样本集中主要观察到的突变模式类似于COSMIC中与紫外线辐射相关突变特征（SBS7a-d）。
随着年龄的增长，紫外光相关致突变过程的相对贡献显著不同（如图7C）。在年老群体中（年龄大于63岁），紫外线直接相关的突变特征贡献了68.14%的突变；而在年轻群体中（年龄小于63岁），该突变特征只贡献了46.59%的突变。这一观察结果与非黑色素瘤皮肤肿瘤通常发生在老年并与日晒有关的事实是一致的。的确，随着年龄的增长，作者观察到正常皮肤中紫外线突变的增加与西班牙的皮肤癌发病率呈相似的指数增长趋势（如图6D）
图7. 年轻样本(左)和年老样本(右)的突变谱
（2）虽然SBS17a突变特征似乎在生命中以恒定的速率积累，但随着年龄的增长，与紫外线相关的突变过程似乎成为突变获得的主要原因：
CTT背景下T>C/A>G突变的比例在年轻样本中更高，这种突变模式与SBS17a突变特征非常匹配。SBS17a是COSMIC中未知病因的突变特征，已被证明是导致皮肤黑色素瘤的原因。
为了深入了解这些T>C/A>G替换的上下碱基依赖性，作者探索了局部序列碱基背景 (从−5到+5位置)，并观察了来自年轻个体的正常皮肤样本的碱基背景偏好(CTTTT)的特定模式（如图8A）。此外，在年轻个体中检测到的T>C/A>G的转录链偏性程度明显更高（如图8B）。不同年龄组之间突变谱的这些差异可以归因于C>T随年龄呈指数级增长，以及T>C/ A>G突变随年龄呈相对恒定的线性增长（如图8D）。这些观察结果表明，60岁以后，与阳光相关的诱变过程是皮肤体细胞突变积累的主要因素。
这表明随着年龄的增长，修复紫外线诱导的诱变损伤的能力会下降。与此相一致的是，作者观察到与年轻个体相比，老年个体中存在转录偶联修复减少的趋势，这是由C>T突变的转录链偏置所捕获的。
图8. 正常皮肤中年龄相关的突变谱
三、正常皮肤中驱动突变受到的正选择作用
（1）尽管这些表皮样本在组织学上是良性的，但大多数正常暴露在阳光下的皮肤样本存在多种蛋白质改变突变：
正常皮肤中recurrent突变基因与皮肤鳞癌中几乎相同 (如图9A)，TP53、NOTCH1、NOTCH2和FAT1是最频繁发生突变的基因。作者还鉴定了几个致癌基因中具有治疗相关性的典型热点突变样本，如BRAF (F595L, V600E)、HRAS (G12D, G12V)、PIK3CA (P471L, E542K, E726K, M1043I, H1047L)和FGFR3 (R248C, S249C, Y373C, A391E)。
总的来说，34个(53.12%)来自老年人的皮肤样本携带了50种不同的相关致病突变中的至少一种。相反，只有8个(12.70%)年轻个体拥有至少一种典型突变。生信热点获取
图9. 所有正常皮肤样本中46个基因中recurrent非同义突变的分布
(2) 暴露在阳光下的正常皮肤已经藏有影响蛋白质的癌症基因突变，其中有5个基因在统计学上具有显著的正向选择：
为了量化正常皮肤样本中导致微小克隆扩增的正选择程度，作者使用dNdScv包考虑了错义、无义和必要剪接突变与同义突变的比例。
当考虑到所有已知癌症基因的突变作为一个整体时，观察到显著的正向选择的证据，而在非癌症基因中观察到选择压力的缺乏（如图10B）。利用dN/dS比值，作者发现癌症基因中积累的相当大比例的突变(50.42%)可能赋予生长优势，因此在正常皮肤中可能被积极选择。然而，非癌症基因似乎积累了可能不受自然选择影响的中性突变，因此，它们的生长/扩张可以归因于遗传漂变。
在单基因水平上，作者从年轻人和老年人收集的正常皮肤样本中46个测序基因中检测出3个显著的正选择(TP53、NOTCH1和FAT1)(如图10C)。值得注意的是，所有这三个基因在正常暴露于阳光下的表皮中也显示出显著的非同义突变，并被证明是皮肤鳞癌的驱动因素。
(3) 老年人的皮肤不仅有更多的突变，而且这些突变中更大一部分反映了正向的选择和扩张：
为了确认这些改变蛋白质的突变是否受到正选择的影响而导致克隆扩增，作者仔细研究了每个年龄组体细胞突变的VAF谱。不管是年轻组还是老龄组，单个基因的非同义突变的平均VAF都显著高于同义突变)(如图10D)。受到显著正选择的癌症相关基因(NOTCH1、FAT1和TP53)，具有最高的平均VAF，这表明这些具有选择优势的突变可能在暴露于阳光下的正常皮肤中的早期出现，并随着年龄的增长而扩张。
总体而言，与年轻供体相比，老年供体表皮样本的非同义突变和同义突变频率均显著增加。有趣的是，同义突变的频率与患者年龄呈线性关系，而非同义突变的频率则呈年龄相关的指数增长(如图3E)。可以想象的是，同义突变(通常预期为中性)随年龄的线性扩展反映了漂变的固定，而携带影响蛋白质的突变(通常预期为增加细胞适应度)的克隆随年龄的指数增长表明了正选择作用。
图10. 随着年龄的增长，正常皮肤中驱动突变的正向选择和扩张
文章小结：
研究发现随着年龄的增长，紫外线相关体细胞突变呈指数级积累，这与皮肤癌的发病率是一致的。个体的皮肤光感类型（根据日照后皮肤的不同反应，来对皮肤进行分型）会影响突变负荷的增加。体细胞突变优先积累在皮肤鳞状细胞癌的癌基因上，并会随着年龄的增加而扩张。不同年龄组具有不同的突变过程。这些结果暗示了在生命后期，转录耦合修复的保真度会降低。衰老不仅与正常表皮中体细胞突变数量的指数增长有关，而且与癌症相关突变的正选择和扩张有关。因此，老化的、经过暴晒的正常皮肤中包含了多种具有驱动突变的克隆，已经为下一步的转化做好了准备。生信热点获取
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