Ionizing radiation (IR) is a well-known carcinogen to induce nearly all types of cancer. Conventional cytogenetic and sequencing studies revealed that IR generates various types of DNA damages including single nucleotide variations and double strand breaks (DSBs). However, IR-induced mutagenesis has not been comprehensively explored in the era of next generation sequencing whereas mutational signatures of other endogenous and exogenous mutagenic process have been newly uncovered. Here, I performed 156 whole genome sequences of single-cell derived clonal organoid lines established from 8 different cell types: 98 irradiated (≥1Gy) and 58 controls. Balanced inversions, balanced translocations and simple large deletions were highly specific in irradiated organoids. In >30% of irradiated organoids, I observed at least 1 complex genomic rearrangements (CGRs) including chromoplexy, chromothripsis and breakage-fusion-bridge events. Through careful examination of their rearrangement breakpoints and patterns, I was able to reconstruct the step-by-step processes in the CGR formations. Furthermore, using a total of 1430 genomic rearrangements identified from all the lines, I revealed the IR-associated mutational signatures which provide deep insights into the DNA damage and repair processes of our cells against IR-mediated crisis. In addition to the structural variations, double base substitutions and non-repetitive small insertions and deletions (indels) were observed more frequently in irradiated samples. To my knowledge, this study provides the first comprehensive IR-mediated mutational signatures in normal cells. Most intriguingly, this findings clearly demonstrate that rearrangement bursts can be triggered by IR. Our results indicate that a fraction of fusion oncogenes, for example, EML4-ALK and KIF5B-RET found in lung adenocarcinomas, can be stochastically acquired by environmental IR exposure early in lifetime.
전리방사선은 거의 모든 종류의 암을 일으키는 잘 알려진 발암인자이다. 전통적인 핵형분석 및 염기서열분석을 활용한 연구들은 전리방사선이 단일염기변이와 이중나선 손상을 포함하는 다양한 종류의 디옥시리보핵산변형을 일으키는 것을 보여주었다. 하지만, 차세대염기서열분석이 보편화되고 있는 시대에 다른 세포내,외부에서 돌연변이를 일으키는 물질들의 돌연변이 시그너쳐가 새롭게 발견되고 있지만, 방사선에 의한 돌연변이 과정에 대한 깊은 지식은 새롭게 알려지지 않고 있다. 따라서 방사선이 일으키는 돌연변이 시그너쳐를 차세대염기서열분석법을 활용하여 살펴보기 위해 8개의 서로 다른 정상조직에서 기원한 156개의 단일세포기원 오가노이드의 전장유전체 분석을 수행하였다. 여기에는 58개의 대조군 오가노이드와 98개의 방사선을 조사 받은 오가노이드가 포함되어 있다. 상호균형역위, 상호균형전좌, 그리고 크기가 큰 단순 결실 형태의 구조변이가 방사선조사를 받은 오가노이드에서 빈번하게 관찰되었다. 또한, 방사선조사를 받은 오가노이드의 30% 이상에서는 크로모플렉시, 크로모트립시스, 파괴-융합-다리 사이클과 같은 복잡한 돌연변이를 지칭하는 복합구조변이가 1개 이상 관찰되었다. 이러한 구조변이의 브레이크포인트 및 변이들의 연결패턴을 면밀히 검토하여 복합구조변이가 형성되는 단계 단계별 과정을 재구성해볼 수 있었다. 더불어, 전체 오가노이드에서 확인된 1430개의 유전체 재배열을 활용하여 전리방사선이 유발하는 돌연변이 시그너쳐를 도출해 낼 수 있었고, 이는 세포내 디옥시리보핵산의 손상 및 복구 과정에 깊은 통찰력을 제공해 주었다. 구조변이뿐만아니라 이중염기치환 및 반복서열에 영향을 받지 않은 작은 삽입 및 결실(인델)도 방사선 조사 오가노이드에서 증가함을 본 연구에서 확인할 수 있었다. 현재 지식으로는 이 연구가 전리방사선 유발 돌연변이 시그너처를 정상 체세포에서 포괄적으로 제시해준 최초의 연구로 생각된다. 특히, 본 연구는 크로모트립시스와 같이 순간적으로 발생하는 매우 복잡한 구조변이가 전리방사선에 의해 유발될 수 있다는 사실을 분명하게 보여준다. 이 연구의 결과로부터, 특정 유전자들의 융합으로 발생하는 폐암의 일부는 어린 시절에 노출된 자연방사선에 의해 발생하였을지도 모른다는 추론을 조심스럽게 해볼 수 있다.
