儿童髓母细胞瘤单细胞转录组学-表观组学联合分析

Single-Cell Transcriptomics in Medulloblastoma Reveals Tumor-Initiating Progenitors and Oncogenic Cascades during Tumorigenesis and Relapse.png

今天带来一篇发表在Cancer Cell上的儿童髓母细胞瘤（MB）的文章，联合了单细胞转录组学以及表观组学的分析。因为文章涉及的测序数据涵盖RNA-seq，ChIP-seq，ATAC-seq，原始数据均为公开，是很好的练手机会。

本文主要有几个重点

单细胞转录组学揭示OLIG2+的胶质母细胞是肿瘤的起源细胞；

OLIG2+的细胞会以一种静息态存在于成熟的髓母细胞瘤中，但是会在复发时被激活；

抑制OLIG2的表达能够拮抗MB的生长；

OLIG2是通过hippo-YAP和AUTOTA-A/MYCN肿瘤网络促进MB的生长。

背景

髓母细胞瘤是最常见的儿童后颅窝肿瘤，大概占到所有儿童脑肿瘤的25%，即使经过积极治疗，其预后还是不理想，并常常伴有严重的后遗症，并且容易复发；
髓母细胞瘤的异质性也较高，一般可以分为四种主要的亚型Wingless (WNT), Sonic Hedgehog (SHH), Group 3, and Group 4。其中，SHH的信号通路激活主要缘于PTCH1的功能缺失以及SMO的激活，其中GNAS是一种抑癌基因，他的功能缺陷与不良预后相关；
随母细胞瘤的起源被认为与一群稀有的肿瘤干细胞相关，但是这群细胞的功能尚未被完全揭示。

结论

1：单细胞转录组学揭示SHH-MB的神经谱系进化

通过敲除Ptch在小鼠中造模，并通过10X的单细胞转录组测序技术，能够将肿瘤组织分为不同的亚群——G2M，S，G1，mature。并通过一些经典的marker进行辅助验证。
第二步通过拟时序分析，分析SHH-MB的发育轨迹，可以看到，OLIG1+和OLIG2+的细胞位于肿瘤发育轨迹的前端，提示其参与了肿瘤的发生过程。

Figure 1.png

2：OLIG2+细胞代表了肿瘤起源时一类高增殖的细胞

在正常的小脑中，OLIG2+细胞主要在小脑白质中存在，其数量随着年龄的增加而减少；正常组织中，外颗粒层（ECL）中并不包含OLIG2+细胞，但是在肿瘤造模的小鼠中，大量OLIG2+细胞出现在了ECL中，并且高表达SOX2；
OLIG2被发现与BrdU共表达，同时还表达一些细胞干性的标记SOX2，而一些神经标记ZIC1和NEUROD1则表达较少。

Figure 2.png

3：OLIG2+细胞的确与肿瘤的发生有关

相比OLIG2-细胞，OLIG2+细胞具有更强的侵袭能力；
ATAC-seq分析可以富集到一些肿瘤干性的标记，以及一些促癌的通路（SHH，HIPPO，NOTCH和AURORA-A）。提示着这群OLIG2+的细胞可能是一类癌性细胞；

4：OLIG2+的高表达与不良预后相关

OLIG2高表达伴TP53的突变，预后十分恶性；

Figure 3.png

5：OLIG2+细胞在晚期的MB中处于静息状态

OLIG1和OLIG2的表达在出现分化之后迅速地下调。

6：OLIG2+细胞在复发和放化疗抵抗地肿瘤中富集

OLIG2地表达水平在转移性肿瘤中显著高于原发肿瘤；

Figure 4.png

7：去除OLIG2+祖细胞能够抑制MB生长

在Olig2敲除的小鼠中，肿瘤的恶性程度弱于对照组；细胞水平的数据也证明了这一点；

Figure5.png

8：OLIG2可能通过调控染色体的构象驱动了肿瘤发生

以上对临床的一些现象进行了验证和夯实，下面开始着重探究机制部分。这一部分是文章的重点。

首先是针对RNA-seq的数据进行分析，发现在Olig2敲除之后，SHH相关的信号通路下调，但是与一些神经元分化的通路则在Olig2cKO的肿瘤中上调；
由于OLIG2也是一个重要的转录因子，因此，通过ChIP-seq的方法对OLIG2调控的基因进行检测，发现肿瘤组织中OLIG2结合的基因中同时有H3K27ac的富集，但是在正常组织中则没有这个现象，而H3K27ac是经典的表达活性上调的marker。motif的富集分析中，也可以富集出另外一些常见的转录因子——TEAD，SOX2，SOX9和MYCN。
TopGene suite通路富集发现，H3K27ac标记富集的基因，与HIPPO，MYC和MAPK信号通路有关。

Figure 6.png

9：OLIG2通过激活HIPPO-YAP/TAZ信号促进MB增殖

以上通过生信的手段对通路进行了筛选，下面具体的验证OLIG2对每一个通路的作用

10：共抑制HIPPO和AURORA-A/MYCN通路能够抑制肿瘤的生长

Figure 8.png

总结

本文的思路稍显混乱，先从单细胞转录组分析入手发现OLIG2细胞处于分化的早期，然后通过临床标本的验证，证明这群细胞表达一些干性的标志，并且与临床预后挂钩，并且做了一些敲除试验作为临床转化的切入点，提升了文章的意义。最后又岔开去，做了一下OLIG2引发促癌事件的机制，通过多组学联合的方式，重新解决了另外一个科学问题。
总的来说，作为一篇Cancer Cell的文章，每一个论点都有相当的数据量进行佐证，非常值得学习，相关数据也值得进一步挖掘。