摘要
哺乳动物寿命差异巨大，最大寿命(maximum lifespans，MLS)最长的弓头鲸 (Balaena mysticetus)可活到 211 岁，而林旅鼠 (Myopus schisticolor)的 MLS仅1岁，二者差异近200倍。一般而言，大体型物种寿命更长。例如，哺乳动物寿命排名前十的物种中，除了人类，剩余9种都是体型巨大的鲸类，包括地球上体重最大(成年体重高达136吨)的蓝鲸(Balaenoptera musculus) MLS高达110岁，体重70吨的长须鲸(Balaenoptera physalus) MLS为114岁。陆地上最大的哺乳动物——非洲象(Loxodonta africana)体重近5吨，MLS为65岁。理论上，大体型、长寿物种患癌风险可能会增高，因为大体型具有更多的细胞且分裂次数多，更长的寿命累计突变的时间也会更长，均会导致更高的患癌风险。事实上,大体型、长寿物种的患癌率并没有提高，相比，患癌率更低。人类的患癌率一般为11-25％,而大体型鲸类的患癌率只有0.78％,非洲象和亚洲象的患癌率为4.81％。体重、寿命和患癌率之间缺少显著的相关性，称为皮托悖论(Peto''s paradox)。此外，一些小体型物种也进化出极端长寿，如体重仅7克的布氏鼠耳蝠(Myotis brandtii) MLS 为 41 岁、裸鼹鼠 (Heterocephalus glaber)MLS 为 31岁是同体型其他鼠类的数十倍，且裸鼹鼠已被证实几乎不患癌。因此，推测长寿哺乳动物可能进化出有效的抑癌机制。之前的研究主要针对个别极端长寿物种进行研究，发现裸鼹鼠拥有高分子量的透明质酸可抑制细胞快速分裂，阻止细胞癌变;大象具有20个抑癌基因TP53的拷贝，能够使它们拥有更强大的DNA损伤修复能力和细胞凋亡机制。然而，哺乳动物寿命延长及抗癌机制还缺乏系统地研究，且筛选的候选基因缺少实验验证。鉴于此，本研究以长寿哺乳动物为研究对象，基于蛋白编码基因，运用比较基因组学和生物信息学检测显著受选择的基因，筛选出长寿和癌症相关的候选基因或突变位点，然后通过体内外实验验证这些基因或突变位点的功能，以期较系统揭示长寿哺乳动物的抑癌机制。 本研究收集了 60个高质量的哺乳动物基因组数据，根据文献报道分别以最大寿命(MLS＞35岁)和校对体重后的长寿商LQ (Lifespan Quotient,LQ＞1.83)的两个标准来界定长寿物种。当以MLS＞35作为鉴定长寿的标准时，23个物种划分为长寿物种，余下的37个物种作为非长寿物种。运用RELAX和FEL模型共鉴定了 119个在长寿物种中受显著进化选择的基因，功能主要富集在4个癌症相关信号通路(Rap1和AMPK信号通路等)以及寿命调节通路(胰岛素信号通路)。进一步将119个基因与三大癌症数据库(TSGene2.0、COMIC和TCGA)匹配时，有 7 个癌症相关基因(MYBBP1A、EZH1、SFPO、NFATC1、HDAC1、BNIP3L和CCNC)。当以LQ＞1.83为标准时，界定了 15个长寿物种和45个非长寿物种。RELAX和FEL分析发现长寿物种中有110个受显著进化选择的基因，主要富集在代谢和DNA损伤修复的信号通路，且有15个基因与三大癌症数据库重叠（SFPQ、SDHAF2、COL1A1、ETNK1、MAP3K13、BCL2、RSPO3、TP63、BNIP3L、RCHY1、PDLIM4、RND3、AHR、CABLES1 和 TSPAN32）。综合以上两个标准（MLS＞35和LQ＞1.83）的结果共鉴定205个基因在长寿物种中受强烈的选择信号，主要参与DNA修复和免疫调节，且有20个基因与三大癌症数据库重叠（MYBBP1A、EZH1、SFPQ、NFATC1、HDAC1、BNIP3L、CCNC、SDHAF2、COL1A1、ETNK1、MAP3K13、BCL2、RSPO3、TP63、RCHY1、PDLIM4、RND3、AHR、CABLES1和TSPAN32），认为是哺乳动物自然长寿和调控癌症发生的关键基因。 为了探讨哺乳动物趋同的寿命延长和抗癌机制，首先，以MLS＞35为标准，运用Python脚本筛选了 424个基因的589个位点被50％以上的长寿哺乳动物支系共享，且有24个基因与三大癌数据库重叠，如FOXP3、YAP1以及THBS1等;当以LQ＞1.83为标准时，发现10个基因的11个位点被50％的长寿哺乳动物支系共享。综合两个标准（MLS＞35和LQ＞1.83）的结果，在长寿哺乳动物中共鉴定430个基因的600个趋同进化位点，这些基因主要富集在免疫调节、DNA损伤修复、凋亡和自噬相关通路，其中包含24个癌症相关基因，提示长寿哺乳动物进化出趋同的免疫调节、DNA损伤修复以及调控癌症发生等机制以延长寿命和抑癌。其次，本研究在4个极端长寿典型代表（弓头鲸、大象、布氏鼠耳蝠和裸鼹鼠）两两物种间鉴定了 2130个基因的3567个趋同进化位点，主要富集在细胞粘附、免疫通路如Toll样受体和NF-kB等信号通路，且与三个癌症数据库（TSGene2.0、COMIC和TCGA）匹配时，8％ （170/2130）的基因为癌症基因，提示长寿哺乳动物进化出趋同的免疫和癌症调控机制。为验证以上候选的趋同进化基因是否具有抑癌能力，选择了弓头鲸和裸鼹鼠共享的LZTS1趋同突变位点A74G进行实验验证。细胞实验表明LZTS1的趋同位点A74G以及弓头鲸的LZTS1基因能够抑制肿瘤细胞的迁移，qRT-PCR实验显示LZTS1的趋同位点A74G、弓头鲸和裸鼹鼠的LZTS1基因能够抑制细胞周期基因（CDK1、CDC25C和CYCLIND1）的表达。小鼠皮下移植瘤实验进一步发现携带趋同位点的小鼠LZTS1基因可抑制肿瘤生长。以上结果为极端长寿物种弓头鲸和裸鼹鼠间趋同的抑癌机制提供了分子证据。类似地，本研究在海洋哺乳动物（包括鲸类、鳍足类和海牛）中共鉴定了 137个海洋哺乳动物的趋同位点隶属于86个基因，将这86个基因与三大癌症数据库进行重叠，发现有9个癌症相关的基因(NEIL1、DCLRE1A、POU6F2、AHNAK、PTPRJ、ZNF292、PER2、BRCA2 和 ARID1A）。为揭示以上候选基因如何调节海洋哺乳动物抑癌，我们选择了在鲸类和鳍足类间具有趋同氨基酸突变的NEIL1基因（K71G）,该基因参与DNA损伤修复，且突变位点位于关键功能域。细胞实验证实趋同位点K71G能够显著抑制DNA损伤并且具有较强的损伤修复能力。细胞划痕实验进一步显示鲸类的NEIL1基因具有更强的抑制癌细胞迁移的能力，推测这可能与鲸类强大的抑癌能力有关。此外，qRT-PCR结果发现趋同位点K71G以及鲸类的NEIL1基因主要通过上调抑癌基因（TP53、PTEN和CDKN2A)表达，以及下调癌细胞迁移基因CD44的表达以抑制癌症的发生。以上结果为海洋哺乳动物的抑癌机制提供了细胞学证据。 综上，本研究在长寿哺乳动物支系中鉴定了 205个强烈受选择的基因，主要与DNA修复和免疫调节相关，其中包括20个癌症相关基因，是长寿哺乳动物调控寿命和癌症发生的关键候选基因。在长寿哺乳动物支系间共鉴定430个基因的600个趋同进化位点，其中包含24个癌症相关基因，结合这些基因的功能揭示长寿哺乳动物进化出趋同的免疫调节、DNA损伤修复以及调控癌症发生等机制以延长寿命和抑癌。海洋哺乳动物类群间鉴定了 9个趋同的癌症相关基因为其趋同的癌症调控机制提供了关键候选基因。此外，本研究鉴定了 638个基因的进化速率与最大寿命MLS和相对寿命LQ显著相关，称为寿命相关基因，主要富集在癌症和寿命调控的信号通路（如PI3K-AKT、Rap1和胰岛素等信号通路），且有54个基因为癌症相关基因。与体重显著相关的214个基因中有12个癌症相关基因，称为皮托悖论相关基因。其中YAP1基因在长寿鲸类中具有特异的氨基酸突变A214S,体内外实验均证实，该特异突变可显著抑制肿瘤生长。综合以上比较基因组学和体内外实验初步揭示了蛋白编码基因在哺乳动物自然长寿和抑癌的分子进化机制，为人类寿命延长和癌症治疗提供了新视角。
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