合子后嵌合突变是指发育自单个合子的多细胞个体中部分细胞携带的突变，可能来自个体发育过程中引入的突变，更可能反映突变过程的初始状态，其中一些嵌合突变可能引起疾病表型。与常见的杂合变异相比，嵌合突变的等位基因比例（allele fraction，AF）将偏离50%，而且不同AF的嵌合突变可能影响该突变传递后代概率、疾病外显率等。由于嵌合突变的发生频率较低及检测技术的局限性，国际上对嵌合突变在人类基因组中发生规律的研究多停留在定性的层面。2018年6月6日，北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室魏丽萍教授课题组在国际著名基因组学期刊Genome Research杂志上在线发表了题为“A model for postzygotic mosaicisms quantifies the allele fraction drift, mutation rate, and contribution to de novo mutations”的研究论文，构建了阐述嵌合突变分布普适性规律的定量理论模型，刻画了嵌合突变AF分布及发生频率，并计算发现人受精卵早期卵裂中具有更高的单碱基突变率。

合子后嵌合突变的定量理论模型

（A）嵌合突变的等位基因比例（AF）漂变模型 （B）考虑嵌合突变产生积累与AF漂变构建理论AF分布 （C）模型拟合实际数据中的AF分布 （D）基于合子后单碱基嵌合突变（pSNM）与新发（de novo）突变估计得到的每次分裂单碱基突变率 （E）使用较高的早期卵裂突变率估计得到10%的子代新发突变源于父母中前3次卵裂产生的嵌合突变 （F）筛查并排除父母中AF>θ的相应嵌合突变可以使子代新发突变的复发风险降低至θ/40 – θ/2.5

本课题组长期致力于嵌合突变的遗传学研究，于2017年在2600多家孤独症全外显子测序数据中（Dou et al., 2017）、于2018年在正常人的多组织样本全基因组测序数据中（Huang et al., 2018）分别鉴定并验证了基因组水平的合子后单碱基嵌合突变。

基于以上研究成果，本研究通过模拟Galton-Watson分支过程来定量研究嵌合突变在卵裂细胞增殖过程中的AF漂变，结合卵裂过程中嵌合突变发生的初始AF和相对数量比例来构建理论AF分布，并阐述父母嵌合突变和子代新发突变（de novo）之间的定量联系。通过本研究建立的模型拟合实际数据计算发现，人受精卵早期卵裂中每次分裂单碱基突变率约3.7×10^-10个每次分裂每单倍体碱基，第一次卵裂的突变率则显著更高（约8×10^-10个每次分裂每单倍体碱基）。研究同时发现早期卵裂每次分裂突变率高于基于新发突变计算得到的平均每次分裂突变率（男性中约4.2-5.1×10^-11个每次分裂每单倍体碱基，女性中约0.8-2.4×10^-10个每次分裂每单倍体碱基）。基于模型模拟结果，课题组推论10%的子代新发突变源于父母中前3次卵裂产生的嵌合突变，并表明筛查父母嵌合突变可以更精确地评估子代新发突变的复发风险。该研究中建立的嵌合突变定量理论模型，将极大促进对嵌合突变的定量研究，并且可以为遗传咨询等临床应用提供重要的理论支持。

北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室魏丽萍教授和2009级博士毕业生、哈佛大学医学院博士后黄岳博士为论文的共同通讯作者。2013级博士生叶永鑫和2011级博士毕业生、哈佛大学医学院博士后窦岩梅博士为该论文并列第一作者。2013级博士生杨晓旭和北京生命科学研究所王盛为文章共同作者。研究得到了蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学“临床医院合作专项”、北大-清华生命科学联合中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金资金支持。

原文链接：https://genome.cshlp.org/content/early/2018/06/06/gr.230003.117

相关参考文献：

Dou, Y., Yang, X., Li, Z., Wang, S., Zhang, Z., Ye, A.Y., Yan, L., Yang, C., Wu, Q., Li, J., Zhao, B., Huang, A.Y., Wei, L. (2017). Post-zygotic single-nucleotide mosaicisms contribute to the etiology of autism spectrum disorder and autistic traits and the origin of mutations. Human Mutation 38, 1002–1013.

Huang, A.Y., Yang, X., Wang, S., Zheng, X., Wu, Q., Ye, A.Y., and Wei, L. (2018). Distinctive types of postzygotic single-nucleotide mosaicisms in healthy individuals revealed by genome-wide profiling of multiple organs. PLoS Genetics 14, e1007395.

合子后突变指发生在单一个体合子生成后的DNA改变，突变可影响个体的部分细胞或组织。合子后单碱基嵌合突变（pSNM）在肿瘤中被广泛研究，并被认为在肿瘤发生中起着至关重要的作用。理论上，合子后突变是人类所有变异的来源，但表型正常的人类个体的正常器官中的pSNM的分布模式和特性还不明确。

北京大学生命科学学院魏丽萍教授课题组基于全基因组深度测序和扩增子高深度重测序技术，利用课题组2017年在Nucleic Acids Research上发表的高通量测序嵌合突变检测工具MosaicHunter，从来自五位健康捐献者的27个器官样本中检测并验证了164个不同的pSNM。各组织内检测到pSNM的突变等位基因频率在1.0%至29.7%之间。

通过比较同一组织内部和不同组织间突变等位基因比例和验证突变数目，课题组发现存在两种不同类型的pSNM：所有突变中约一半突变来源于早期胚胎发育时期，称之为胚胎期pSNM；另一半可能主要来源于胚胎发育完成后组织自我更新时的克隆扩张（clonal expansion），称之为克隆扩张pSNM。这两种不同类型的pSNM在突变谱特征上有较大区别：胚胎期pSNM中C>T突变比例比克隆扩张pSNM更高，且这些突变在CpG位点上突变率更高；对复制时机的研究发现胚胎期pSNM集中在DNA复制早期的基因组区域，克隆扩张pSNM集中在DNA复制晚期的基因组区域；对DNA转录活性的研究发现胚胎期pSNM集中在胚胎期染色质开放区和拓扑关联区域上。

正常人类组织中合子后单碱基嵌合突变分布模式

（A）胚胎期pSNM和克隆扩张pSNM具有不同的器官分布（B）胚胎期pSNM显著富集在C>T突变和CpG位点（C）胚胎期pSNM富集于DNA复制早期基因组区域（D）胚胎期pSNM富集在开放染色质区域

该研究揭示了合子后嵌合突变在人类正常发育过程中的突变来源和空间分布的两种重要分布模式并系统描述了其差异，对理解人类突变的产生和积累有重要意义。该成果最近以题为“Distinctive types of postzygotic single-nucleotide mosaicisms in healthy individuals revealed by genome-wide profiling of multiple organs”在线发表在国际知名学术期刊PLOS Genetics上（全文网址 http://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1007395）。

魏丽萍教授和生命科学学院已毕业博士生黄岳博士（2009级）为论文的共同通讯作者。黄岳博士、生命科学学院2013级博士生杨晓旭为该论文并列第一作者。北京生命科学研究所王盛、郑夏宁、北京大学生命科学学院伍启熹博士和前沿交叉学院叶永鑫为文章共同作者。研究得到国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划、北京大学“临床医院合作专项”等资金支持。