女性子宫内膜形态复杂性的三维理解：大量癌症相关体细胞突变从何而来？

每月月经是育龄妇女的一种生物学现象，涉及子宫内膜的形态和功能变化，随后子宫内膜脱落。子宫内膜在周期性脱落后可再生，为受孕做准备。这种组织的高度再生特性可能是基因突变的来源，增加了发生子宫内膜相关疾病的可能性，如子宫内膜异位症、子宫腺肌症、子宫内膜增生和子宫内膜癌。这些子宫内膜相关疾病对妇女一生的身体、心理和社会健康有重大影响。

在最近的一项研究中，新泻大学的一组科学家对37名21至53岁育龄妇女的正常子宫内膜腺体进行了测序，以阐明正常子宫内膜癌相关突变克隆扩张的时间和机制。

首先，研究人员使用靶基因测序检查了891个子宫内膜腺体。他们发现，超过50%的子宫内膜腺体检测中存在大量的基因体细胞突变，这些基因在子宫内膜癌或子宫内膜异位症相关的卵巢癌中经常发生突变。此外，每个受试者具有高突变等位基因频率的体细胞突变负担被发现与个体的年龄和累积月经周期(CNMCs)呈正相关。研究人员进一步调查了癌症相关基因的体细胞突变是否在这些正常子宫内膜腺体中被积极选择。他们发现，泛妇科癌症相关基因(如KRAS、pIK3CA和pTEN)具有很强的正向选择。

其次，为了研究体细胞突变的子宫内膜腺体如何在子宫内膜中分布，研究人员对空间解析的单个子宫内膜腺体进行了基因组分析，其中手术切除的正常子宫内膜标本被细分为6.25-25毫米的方形网格，子宫内膜腺体取自网格。有趣的是，一些从相邻的网格收集的腺体共享多个突变，表明从一个共同的祖先分化。作者使用全外显子组测序(WES)和全基因组测序(WGS)来确认腺体共享的突变起源于共同的祖先克隆。此外，研究人员估计了子宫内膜发生基因组事件的实际年龄，并发现癌症相关基因突变的克隆扩张和杂合性复制中性丢失事件发生在生命早期。特别是，在一名50岁妇女的子宫内膜中，通过移码插入导致双等位基因pTEN缺失，同时伴有臂水平拷贝中性杂合性缺失，估计发生在青少年时期。结果表明，在正常子宫内膜中，这种基因组事件可耐受几十年。

第三，通过对正常增生子宫内膜组织进行三维成像分析，研究人员希望阐明具有相同克隆来源的子宫内膜腺体在空间遥远区域扩张的机制。他们能够在基底层看到连接一组腺体和根部的神经丛结构，使用之前建立的基于组织清理的3D成像技术，他们称之为根茎（rhizome）结构。虽然从根茎生长出来的垂直腺体在月经期间脱落，但根茎结构仍保留在基底层。

最后，为了分析因子宫内膜异位症而行子宫切除术的43岁女性的根茎的基因，研究人员检查了70个连续的冷冻切片，以确定子宫内膜腺体的3D结构。他们还收集了三组根状茎与垂直腺体分别从根状茎生长激光捕获显微解剖。WGS分析显示，所有具有相同根茎的子宫内膜腺体均为单克隆起源。此外，在垂直腺体中检测到的突变克隆通过获得额外的突变而多样化。这些结果表明，根茎结构对突变体扩展其疆域的机制有很大的贡献。

综上所述，本研究报道的发现表明，子宫内膜的根茎结构起源于相同的祖无性系，而突变无性系则是在月经期组织再生过程中产生和多样化的。研究人员提出了一种在正常子宫内膜中克隆扩张的新模型。在月经期间，残留的基底腺沿肌层水平延伸，形成单克隆根状茎。然后，根状茎产生具有相同克隆来源的垂直腺体。一些根茎结构在月经周期中持续许多周期的修复和再生，并进一步扩大它们的领土。当新的克隆通过癌症相关基因突变获得选择优势时，可能会发生几轮克隆转化。作者推测，与癌症相关基因突变的克隆可能通过扩大根茎结构的面积来促进稳定的组织再生。另一方面，根茎结构可能通过累积癌症相关基因突变，使妇女易患子宫内膜相关疾病。

新泻大学医学和牙科科学研究生院妇产科教授Takayuki Enomoto说:“我们在人类子宫内膜突变克隆的进化动力学结果将为更好地理解月经周期子宫内膜再生机制和所有涉及子宫内膜疾病的发病机制提供分子基础。这种‘新常态’知识将照亮预防和治疗子宫内膜相关疾病的治疗方法的发展之路。”

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Nature Communications

10.1038/s41467-022-28568-2

Spatiotemporal dynamics of clonal selection and diversification in normal endometrial epithelium