《Nature Genetics》重新定义插入缺失分类法：洞察突变特征，助力癌症诊疗新突破

《Nature Genetics》：A redefined InDel taxonomy provides insights into mutational signatures

在癌症研究领域，小插入和缺失（InDels）研究关注度远低于碱基替换。为解决现有 InDel 分类框架无法区分相关突变特征等问题，研究人员开展 InDel 分类系统及突变特征研究。他们发现新 InDel 分类系统能揭示独特模式，鉴定出 37 种 InDel 特征，开发的 PRRDetect 可精准检测肿瘤 PRR 功能障碍，为癌症诊疗提供新方向。

　　

在生命的奥秘之书中，基因的突变如同神秘的密码，时刻影响着生物体的健康。小插入和缺失（InDels，指长度小于 100bp 的插入和缺失变异）作为仅次于碱基替换的第二大常见遗传变异形式，在肿瘤的发生、发展过程中扮演着重要角色。然而，长久以来，它受到的关注却远不及碱基替换。

深入探究 InDels 的奥秘，对于理解肿瘤的生物学机制、实现精准诊疗至关重要。比如，高比例的微同源介导的缺失是临床可操作的同源重组缺陷的关键预测指标，在同源重组缺陷检测和分类算法中占据重要地位；检测错配修复（MMR）缺陷肿瘤中的微卫星不稳定性（MSI），也依赖于测量全基因组 InDel 突变和分析特定的核苷酸重复序列。近年来，研究还发现 2 - 5bp 的短缺失和 2 - 4bp 的重复分别与 TOP1 活性和 TOP2A 功能障碍密切相关。

但目前的研究面临着诸多困境。现有的 InDel 分类框架（如 COSMIC - 83，一种将 InDel 分为 83 种亚型的分类系统）存在局限性，无法有效区分不同的 InDel 突变特征，难以将其与背景突变区分开来，这使得对肿瘤中 InDel 突变的准确解读困难重重，严重影响了对肿瘤发生发展机制的深入理解和精准诊疗的推进。

为了攻克这些难题，来自英国剑桥大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一系列深入研究，旨在重新定义 InDel 分类法，挖掘其背后隐藏的生物学信息，为肿瘤诊疗开辟新的道路。最终，他们的研究成果发表在《Nature Genetics》杂志上，为该领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是全基因组测序（WGS）技术，对实验样本和大量肿瘤样本进行测序，获取基因序列信息；接着利用突变特征分析方法，包括基于余弦相似性、引导程序和背景扣除等手段，推导与基因编辑相关的突变特征；还通过构建新的 InDel 分类系统，综合考虑 InDel 的多种特征进行分类。研究使用的样本队列包括 CRISPR 编辑的细胞系模型，以及来自 100,000 Genomes Project 等项目的多种肿瘤样本。

下面来看具体的研究结果：

1. PRRd 中 InDel 模式的多样性：研究人员通过 CRISPR 技术对 hTERT -  immortalized RPE1（TP53^?/?）细胞系中与 PRRd 相关的关键基因进行编辑，构建了一系列等基因细胞模型。实验发现，除 ΔSETD2 外，其他基因编辑的细胞系 InDel 负担均显著高于未编辑的对照细胞。不同基因编辑的细胞系展现出独特多样的 InDel 特征，如 ΔMLH1、ΔMSH2 和 ΔMSH3 在 6bp 及以上的同聚物（poly - T₆₊）处存在优势 1bp T 缺失，而 POLD1^S478N和 POLE 则在 poly - T_{5 - 1}处出现 1bp T 插入。但现有 COSMIC - 83 分类法难以区分这些基因编辑特征与背景突变，且 MMRd 和 Pol - dys 特征之间的区分也较为有限。

2. 当前 InDel 分类法的局限性：将实验基因编辑的 InDel 特征与 COSMIC IDS 进行比较，发现 ΔMSH2 和 ΔMLH1 的 InDel 特征与所谓的 MMRd 相关 ID7 并无相似之处，反而与正常复制错误相关的 ID1 和 ID2 最为相似。COSMIC - 83 分类法将长同聚物上的 1bp InDels 聚集在单个通道中，导致无法有效区分 MMRd 特征与正常复制错误特征，同时也难以区分 POLE、POLD1 突变体和其他编辑的 InDel 特征。

3. 一种新的 InDel 分类框架：研究人员提出了一种新的 InDel 分类框架，该框架根据 InDel 的插入、缺失或复杂类型，以及基序大小、核苷酸内容、侧翼碱基、同聚物长度等多种因素，将 InDel 分为 476 个非重叠的子类别。通过对大量肿瘤样本的分析，进一步将其精简为 89 个通道。新分类框架显著提高了对基因编辑与背景突变的区分能力，使基因编辑特征更易于辨别，且能揭示出 MMRd 和聚合酶突变体在不同长度同聚物上 InDel 分布的差异。在对独立数据集的分析中，89 通道格式也展现出比 COSMIC - 83 更好的性能，能够检测出更多的新突变特征。

4. 七种癌症类型中的新 InDel 特征（InDs）：研究人员运用新的 InDel 分类法对七种具有高肿瘤突变负荷（TMB）的癌症类型进行分析，共鉴定出 37 种一致性 InDel 特征（InDS）。其中，10 种与已知的 IDS 特征相似，27 种为新发现的特征。这些新特征的病因多样，部分与外源性暴露相关，如 InD3a 和 InD3b 与烟草暴露有关，InD13 与紫外线损伤相关；部分源于内源性因素，如 InD1 和 InD2a 与正常 DNA 复制过程中的链滑动有关；还有一些特征的病因尚不确定。

5. 基于特征的 PRR 功能障碍分类器：鉴于 PRRd 亚型对免疫疗法可能具有选择性敏感性，研究人员开发了一种名为 PRRDetect 的分类器。该分类器利用多个与 PRR 缺陷相关的单碱基替换（SBS）和 InD 特征，以及总 InDels 与替换的比率作为预测特征。在多个独立队列的验证中，PRRDetect 在区分 PRR 功能障碍和 PRR 熟练样本方面表现出色，优于其他检测工具。同时，研究发现肿瘤突变负荷（TMB）作为免疫疗法的生物标志物存在局限性，许多 TMB 高的癌症并非由与免疫疗法反应相关的生物异常引起，而 PRRDetect 能够检测出一些无驱动突变但具有 PRR 缺陷特征的样本。

研究结论表明，突变分类方式对特征分析的准确性有着直接影响。新的 InDel 分类法能够有效克服现有分类框架的局限性，揭示 PRRd 相关 InDel 模式的生物学多样性，为深入理解 InDel 突变的发生机制提供了新的视角。新鉴定出的 37 种 InDS 丰富了人们对癌症中 InDel 突变的认识，有助于进一步探索癌症的病因和发展机制。PRRDetect 分类器的开发为肿瘤 PRR 功能障碍的检测提供了更精准的工具，在癌症的临床诊断和治疗选择方面具有重要的潜在应用价值，有望改善癌症患者的诊疗效果，推动癌症精准医学的发展。然而，目前对 InDel 突变发生机制的理解仍不完整，未来还需要纳入更多癌症类型和更大样本量的研究，以进一步揭示新的突变特征和病因，完善 InDel 突变的研究体系，为癌症的防治提供更坚实的理论基础和技术支持。