泛癌單細胞RNA-seq識別22種癌症類型細胞異質性重複程序

2020-11-20 13:56:27 2065 views
摘要

該研究成果發表在Nature Genetics上,文章題為“Pan-cancer single-cell RNA-seq identifies recurring programs of cellular heterogeneity”。

泛癌單細胞RNA-seq識別22種癌症類型細胞異質性重複程序

腫瘤細胞可塑性和異質性在疾病進展及治療中起著關鍵作用。例如,罕見的腫瘤細胞亞群可能是造成癌細胞耐藥性及轉移的潛在因素。目前,實驗室培養的細胞系是癌症研究的主力軍,但不清楚它們在多大程度上概括了腫瘤惡性細胞之間的異質性。隨著測序技術的發展,單細胞RNA測序(scRNA-seq)已經成為研究腫瘤內異質性(ITH)的有效工具。

近日,來自以色列魏茨曼科學研究所的Itay Tirosh團隊利用多重單細胞RNA-seq,分析了來自22種癌症類型的198個癌細胞系,確定了12個在多個癌細胞系中導致重複異質性的表達程序。此外,研究團隊還建立了特定的腫瘤細胞異質性模型,可用於研究衰老相關細胞的亞群,以證明其動態性、調節性和獨特的藥物敏感性。該研究成果發表在Nature Genetics上,文章題為「Pan-cancer single-cell RNA-seq identifies recurring programs of cellular heterogeneity」。

泛癌單細胞RNA-seq識別22種癌症類型細胞異質性重複程序

文章發表在Nature Genetics上

研究團隊開發了一種多路復用方法,利用10x Genomics Chromium系統對不同細胞系進行單細胞RNA-seq分析,基於基因表達和SNPs的細胞系分配對於98%的細胞是一致的(圖1)。在去除低質量數據後,研究人員檢測分析了來自198個細胞系的53513個細胞的表達譜,平均每個細胞檢測19264個單分子標籤(UMIs)和3802個基因,可反映22種癌症類型(圖1)。

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圖1.多重scRNA-seq鑒定細胞系內表達的異質性及研究的癌症類型分布。來源:Nature Genetics

在單個細胞系的細胞間(包括離散的細胞亞群),研究團隊發現了基因表達的廣泛可變性,並利用t-SNE在11%的細胞系中發現了離散簇,表明離散亞群通常是細胞系特有的。通過識別每個細胞系中細胞狀態的連續和離散可變性,在所有細胞系中檢測到1445個表達程序,在單個細胞系中存在4~9個這樣的程序。基於這些表達程序的共同基因,研究分析強調了相似程序的群集,稱之為基因表達的重複異質程序(RHP)。最終,研究人員確定了12個RHP,其中兩個最顯著的RHP可反映細胞周期。細胞周期RHP對應於G1/S和G2/M期,並且在臨床腫瘤樣本中也可以觀察到(圖2)。

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圖2.體外及體內細胞周期的異質性模式。來源:Nature Genetics

結果顯示,另外10個RHP反映了不同的生物學過程,且在很大程度上獨立於細胞周期狀態或被非周期細胞優先表達。研究人員通過對這10個RHP的標誌基因、細胞系和潛在調節元件對這10個RHP進行了表徵(圖3)。

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圖3.10個RHP的功能注釋。來源:Nature Genetics

研究發現了與多種類型應激反應有關的RHP。其中,RHP(8)反映了一種應激反應,包括DNA損傷誘導的和即刻早期基因(DDIT3DDIT4ATF3),類似於在黑色素瘤和HNSCC腫瘤中發現的程序;RHP(4)含有IFN響應基因(IFIT1-IFIT3),與卵巢癌中觀察到的異質性程序非常相似。IFN響應可能是由基因組不穩定性通過cGAS-STING通路觸發的;RHPs(9,10)分別由與蛋白質摺疊和成熟以及蛋白酶體降解相關的基因組成。這也是唯一不同於任何體內異質性程序的RHP。

分析發現,與上皮-間充質轉化(EMT)相關的RHP RHP(2),即EMT-I,是黑色素瘤特異性的,並與另一個黑色素瘤特異性RHP(1)呈負相關。後者與皮膚色素沉著基因(MITFPMEL)相關,在黑素瘤腫瘤中可觀察到這兩種黑色素瘤特異性RHPs及其負相關模式。RHP(3),即EMT-II,包括vim,FN1等基因,主要可在HNSCC細胞系中觀察到;RHP(5),EMT-III在非周期細胞中包含了參與細胞連接組織的基因,如層粘連蛋白編碼基因。EMT-I和EMT- II在特定的癌症類型中表達豐富,突出了EMT是一種常見的,因環境而異的細胞異質性模式,可能對轉移和藥物反應有重要的意義。

此外,與衰老程序相關的RHP(6,7)可優先在G0細胞中被觀察到,反映了與細胞衰老有關的不同表達程序。RHPs 6程序包括衰老調節因子p21和其他p53靶基因;而RHP 7與低水平的增殖和分泌表型有關,與角質形成細胞、肺支氣管細胞和其他上皮細胞的衰老反應非常相似,該程序缺乏經典的衰老標記物(p16和p21),被稱為上皮衰老相關(EpiSen)程序。

EpiSen程序是在衰老細胞中誘導的,但它的表達並不一定意味著完全的衰老表型。研究人員選擇具有EpiSen和EMT-II RHPs高度變異的HNSCC細胞株作為特定模型進行進一步分析,分離出EpiSen-high 和EpiSen-low兩個細胞亞群,其表達差異達12倍(圖4)。結果表明,EpiSen程序具有動態可塑性,且與遺傳亞克隆存在有限的關聯。隨後,研究人員比較了EpiSen-High和EpiSen-Low亞群對不同藥物的敏感性,結果表明EpiSen-High細胞對PI(3)K和AKT的抑製劑以及通過PI(3)K-AKT軸傳遞信號的EGFR和IGF1R的抑製劑更敏感;EpiSen-low細胞對細胞周期調節因子(CDKs、CHK1和拓撲異構酶)的抑製劑更敏感。此外,EpiSen可用於預測臨床藥物反應,為了研究EpiSen在西妥昔單抗臨床反應方面的潛在相關性,研究人員檢查了40例複發或轉移性HNSCC患者的大量預處理轉錄組數據,結果與體外觀察一致,EpiSen丰度在PFS較長的患者中顯著高於PFS較短的患者,其預測能力略高(圖5)。

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圖4. EpiSen在三個亞群中的表達。來源:Nature Genetics

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圖5.HNSCC細胞系(體外)和腫瘤(體內)基因表達熱圖和ROC曲線。來源:Nature Genetics

綜上所述,該研究利用單細胞RNA-seq技術描繪了198個細胞系的細胞多樣性圖譜,強調了在人類腫瘤中觀察到的異質性程序的特定模型,對這些模型系統的進一步研究可提供對ITH的理解,有助於利用ITH開發新的治療策略。

參考資料:

1. Kinker, G.S., Greenwald, A.C., Tal, R. et al. Pan-cancer single-cell RNA-seq identifies recurring programs of cellular heterogeneity. Nat Genet 52, 1208–1218 (2020). https://doi.org/10.1038/s41588-020-00726-6

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