Cancer Cell | 高通量单细胞分析胶质母细胞瘤异质性
原创 骄阳似我 图灵基因 2022-04-02 07:03
收录于话题#前沿生物大数据分析
撰文：骄阳似我
IF：31.743
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亮点：
作者及其研究团队使用高通量单细胞基因组分析方法来描述原发性胶质母细胞瘤以及匹配的患者来源的外植体和胶质球细胞系的遗传和转录组异质性。他们利用基因组分析揭示了胶质母细胞瘤(GBM)模型系统的细胞变异性，并且证实了患者来源的外植体(PDEs)可以从原发性和复发性肿瘤中产生，此外，外植体在不同传代间保留了亲本肿瘤的遗传和转录组异质性。
胶质母细胞瘤(GBMs)是一种侵袭性脑肿瘤，成人的5年生存率仅为4.3%，其特征是肿瘤间和肿瘤内在基因组、表观基因组、代谢和微环境方面存在广泛的异质性。这种异质性混淆了我们对GBM细胞和分子基础的理解。患者来源的模型，如类器官和外植体，最近已成为研究这种异质性的有用模型，但目前仍不清楚这些模型是否能够准确概括GBM基因组特征。
近期，在Cancer cell杂志上发表了一篇名为“Single-cell landscapes of primary glioblastomas and matched explants and cell lines show variable retention of inter- and intratumor heterogeneity”的文章，本文的研究人员分析了12个IDH野生型GBMs的整体外显子组和单细胞基因组和转录组谱，包括两个复发性肿瘤，以及来自这些肿瘤的患者来源的外植体(PDEs)和胶质球(GS)系。他们发现，PDEs在基因上与其亲本肿瘤相似，并保留不同的基因表达特征。这些结果为研究GBM细胞异质性和GBM衍生模型提供了基础。
为了为了探索PDEs在多大程度上再现了其亲本肿瘤的细胞和分子谱，作者生成了肿瘤的单细胞遗传和转录组谱，并匹配了PDEs和GS系。作者的团队首先开发了一种方案，从嵌入基质凝胶中的完整肿瘤切片中创建外植体（图1A）。在某些情况下，细胞从基质中逃逸并在井内产生GSs；当这种情况发生时，这些细胞进一步繁殖为GS系。对PDEs和匹配组织的苏木精和伊红(H&E)染色检查显示，不同组织产生的PDEs表现出形态异质性以及GBM细胞的典型特征(如核异型性、有丝分裂图和可变的细胞形态；图1B)。此外，免疫荧光(IF)分析还显示，PDE显示出一些典型的GBM特征，如循环细胞和缺氧细胞，表达干细胞或祖细胞样标记物的细胞，表达胶质标记物的细胞(图1C)。图1.一种开发GBM衍生外植体的新方法
为了分析PDEs在多大程度上可以再现亲本肿瘤中存在的突变异质性，作者从5例患者的29个样本中生成了大量全外显子组测序(bWES)文库；为了量化组织和PDEs之间的相似性，作者使用PyClone根据每个患者的等位基因频率对属于每个患者的所有样本的变异进行聚类。结果表明，即使在肿瘤具有高区域变异异质性的情况下，PDEs在很大程度上保留了与其来源组织相当的变异。同时，PDEs和匹配的组织样本之间的克隆比例具有可比性（图2），表明PDEs在很大程度上保留了其亲本组织中观察到的层次结构。即使单个克隆的比例不同，匹配的组织和PDEs也倾向于由来自同一分支(es)的克隆组成(图2C)，这可能表明采样差异和/或PDEs中存在某些进化生长的可能性。在两个复发样本中，复发肿瘤特有的克隆在组织和PDE样本中都明显存在(图2B和2C)。综上所述，这些结果表明，PDEs在很大程度上保留了在其亲本组织中观察到的克隆结构。图2.PDEs保留了其亲本肿瘤样本的基因组特征
为了直接观察克隆特性，作者进行了单细胞全基因组测序(scWGS)，以确定三名患者的组织和PDEs的拷贝数改变。对于每个患者，他们确定了由具有相似拷贝数谱的细胞簇定义的克隆群体（图3）。
有趣的是，bWES和scWGS数据集均显示JK142区组织样本中相对罕见的恶性细胞群(bWES数据中肿瘤含量为0.28%，scWGS数据中为8/485细胞[1.6%])。根据对突变克隆的观察，在匹配的组织和PDEs中，相当比例的恶性细胞被分配到不同的拷贝数克隆中（图3），表明PDEs也保留了在其亲本肿瘤中观察到的基于拷贝数的克隆特征。图3.scWGS分析显示，PDEs保留了其亲本肿瘤的拷贝数特征
scRNA-seq分析显示，PDEs系保留了一些非恶性细胞存在于其母体肿瘤中。最引人注目的是，来自个体患者的细胞彼此之间似乎比来自其他患者的细胞更相似(图4A-4C)。然而，作者也观察到来自多个患者的一些细胞在组织和PDEs中分组(图4A和4B)。这些组显示出较高的非恶性细胞标记物表达，包括免疫细胞标记物CD45、癌相关成纤维细胞(CAF)标记物ACTA2和PDGFRB、内皮细胞标记物VWF和成熟的少突胶质细胞标记物MOG和MAG(图4A和4B)。图4.scRNA-seq分析显示，PDEs保留了所有组织(A)、PDE(B)和GS(C)细胞的非恶性细胞
虽然来自不同患者的基质细胞彼此足够相似，可以聚类在一起，而恶性细胞显示出更明显的患者间转录差异。为了量化这些观察结果，基于每个样本类型的分层聚类结果，作者使用scUnifrac，计算所有样本对之间的距离。结果显示，患者间组织对之间的距离明显大于患者内组织对(即reg1和reg2)组织对之间的距离(图5A)。有趣的是，在PDEs和GS细胞系中也观察到类似的模式，这表明这两种模型系统都保留了肿瘤内的相似性和肿瘤间的差异。具体来说，两种组织中原发/复发对之间的距离大于患者间的距离，但小于患者间的距离，表明复发肿瘤和其来源的PDEs保留了与原发肿瘤相似的转录特征。图5. PDEs保留了肿瘤间和肿瘤内的异质性模式
为了进一步探索和表征恶性细胞群中的转录异质性，作者对单个恶性细胞进行了GBM特异性可重复细胞状态的评分，并比较了这些状态在样本类型之间的分布。虽然PDE细胞似乎保留了与亲本组织中观察到的异质性，但GS细胞大多合并成一个或两个元状态(图6A)。为了量化这一观察结果，作者根据分配到不同细胞状态的细胞的分布计算了熵值，确实发现PDE细胞与亲本组织具有相似的熵，而GS细胞的熵明显低于组织和PDE细胞(图6B)。
图6. PDEs在很大程度上再现了在亲本组织中观察到的细胞状态分布
为了确认PDEs可以传代和扩展，并探索PDE细胞群可能如何通过这些程序进化，作者对来自4个肿瘤（共13,393个细胞）的第一代、第二代和第三代PDEs进行了额外的scRNA-seq。结果显示，PDE细胞主要由患者聚集；此外，细胞也倾向于在单个患者组中一代又一代地聚集(图7A)。在恶性细胞群中，恶性细胞间状态的分布在世代间普遍具有可比性(图7B-7D)，这表明传代并不会丰富或耗尽特定的细胞状态。此外，GBM基因的表达模式在来自个体患者的几代患者之间相似(图7E)，这与传代不会导致致癌基因表达的广泛差异的观点一致。
图7. scRNA-seq分析显示，PDEs在不同传代中保留了恶性细胞状态分布
总的来说，本文作者利用基因组学方法对比了GBM组织和来自它们的模型的表型和基因组异质性。他们的基因组分析表明，PDEs支持非恶性细胞类型的存活，并显示出恶性细胞状态的分布与在组织样本中观察到的情况更密切相关。这项研究说明了高通量基因组分析可以阐明GBM生物学肿瘤间和肿瘤内的异质性，并且提示我们可以利用PDEs模型解决与肿瘤异质性相关的问题。
教授介绍：
Marco A. Marra
Marco A. Marra
不列颠哥伦比亚大学医学遗传学系教授，加拿大迈克尔·史密斯基因组科学中心主任，加拿大基因组科学研究主席。Marco A. Marra专注于基因组学，生物信息学和功能基因组学领域。Marco A. Marra的研究方向是开发和应用"下一代"测序方法来表征癌症基因组，转录组和表观基因组，目的是全面鉴定驱动癌症进展的遗传和表观遗传变化，同时其研究团队在癌症基因组和表观基因组之间的功能相互作用领域也有所建树。
参考文献：
Marco A. Marra et al. Single-cell landscapes of primaryglioblastomas and matched explants and cell lines show variable retention ofinter- and intratumor heterogeneity [J].Cancer Cell. 2022 Mar 18