單細(xì)胞多組學(xué)在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤異質(zhì)性分析中的應(yīng)用

編者按：

單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)以很高的精度和深度，徹底改變我們對(duì)復(fù)雜疾病的理解。整合單個(gè)細(xì)胞的染色質(zhì)可及性、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平，可揭示傳統(tǒng)方法無(wú)法捕捉的細(xì)胞異質(zhì)性和分子機(jī)制。新研究利用單細(xì)胞核RNA測(cè)序和ATAC測(cè)序，深入剖析了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子AP-1和BACH1在細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的重要作用，不僅揭示了GBM的高度異質(zhì)性，還為個(gè)性化治療提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

研究背景

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是一種高度惡性的腦腫瘤，患者預(yù)后極差，中位生存期不足15個(gè)月。為了開(kāi)發(fā)更有效的治療方法，研究人員利用單細(xì)胞核RNA測(cè)序和單細(xì)胞ATAC測(cè)序，分析了配對(duì)的GBM患者樣本，構(gòu)建了詳細(xì)的細(xì)胞類(lèi)型圖譜，揭示了GBM內(nèi)部的高度異質(zhì)性和不同細(xì)胞類(lèi)型的基因表達(dá)模式�？傮w而言，本研究為理解GBM的細(xì)胞異質(zhì)性和分子機(jī)制提供了新視角，并為個(gè)性化治療策略奠定了基礎(chǔ)。

文章詳情 

文章題目：Single-cell multi-omics sequencing uncovers region-specific plasticity of glioblastoma for complementary therapeutic targeting
中文題目：?jiǎn)渭?xì)胞多組學(xué)測(cè)序揭示膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的區(qū)域特異的可塑性及其互補(bǔ)治療靶標(biāo)
發(fā)表時(shí)間：2024.11
期刊名稱(chēng)：Science Advances
影響因子：11.7
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：?jiǎn)渭?xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序+ATAC測(cè)序
DOI：10.1126/sciadv.adn4306

研究結(jié)果 

1、配對(duì)GBM患者組織的單細(xì)胞多組學(xué)譜型

為了揭示膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）的異質(zhì)性，研究人員利用單細(xì)胞RNA測(cè)序（snRNA-seq）和單細(xì)胞ATAC測(cè)序（snATAC-seq），分析了配對(duì)的GBM患者樣本。通過(guò)整合這兩種技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了詳細(xì)的細(xì)胞類(lèi)型圖譜，展示了不同細(xì)胞類(lèi)型的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性特征。這項(xiàng)工作為個(gè)性化醫(yī)療提供了新的視角，揭示了GBM內(nèi)部的高度異質(zhì)性。

Fig1. GBM基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性的單細(xì)胞圖譜

2、細(xì)胞類(lèi)型特異性調(diào)控GBM中的染色質(zhì)可及性

研究人員結(jié)合snRNA-seq和snATAC-seq，鑒定了52,485個(gè)具有高度細(xì)胞類(lèi)型特異性的基因相關(guān)順式調(diào)控元件（gl-CREs）。該研究揭示了9042個(gè)CRE鏈接的基因，每個(gè)基因平均連接到5個(gè)CREs，強(qiáng)調(diào)了遠(yuǎn)端調(diào)控元件在調(diào)控細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)中的重要作用。這些發(fā)現(xiàn)為探索新型治療靶點(diǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

Fig2. 遠(yuǎn)端峰賦予細(xì)胞類(lèi)型特異性并揭示潛在的細(xì)胞類(lèi)型特異性TF調(diào)節(jié)

3、浸潤(rùn)至周邊腦組織的惡性細(xì)胞具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄組特征

研究人員使用inferCNV和Uphyloplot2分析GBM細(xì)胞的基因組結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)浸潤(rùn)至周邊腦組織（PTB）的GBM細(xì)胞表現(xiàn)出較弱的泛癌特征，并在代謝和增殖方面不活躍。進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，PTB中的細(xì)胞誘導(dǎo)了與神經(jīng)元發(fā)育相關(guān)的基因，表明健康腦區(qū)域的微環(huán)境對(duì)其有顯著影響。

Fig3. 浸潤(rùn)的GBM細(xì)胞與TC中的GBM細(xì)胞相比具有不同的特征

4、多樣化的轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動(dòng)GBM細(xì)胞狀態(tài)

本部分探討了GBM細(xì)胞狀態(tài)的高度可塑性和多樣性，發(fā)現(xiàn)了患者間及同一患者內(nèi)腫瘤核心區(qū)（TC）和PTB區(qū)域間的顯著異質(zhì)性。OPC-like細(xì)胞在PTB中比例增加，而AC-like細(xì)胞減少。研究鑒定出數(shù)十種狀態(tài)特異性轉(zhuǎn)錄因子（TFs），如GFI1、FOXK1等，提示AP-1可能是關(guān)鍵因素，但其活性在不同狀態(tài)下有所變化，需要謹(jǐn)慎考慮作為治療靶點(diǎn)。

Fig4. 四種細(xì)胞狀態(tài)下的GBM細(xì)胞共享調(diào)控子AP-1

5、PTB區(qū)域中AP-1活性下降而B(niǎo)ACH1活性增加

研究人員在單細(xì)胞水平上比較了PTB_G和TC_G中AP-1的活性，發(fā)現(xiàn)AP-1在TC_G中活躍但在PTB_G中顯著下降，具有區(qū)域性異質(zhì)性。與此同時(shí)，BACH1在PTB_G中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)活性高于TC_G。研究揭示了BACH1增強(qiáng)子在PTB_G中的更高活性，提示其表達(dá)上調(diào)可能由遠(yuǎn)端增強(qiáng)子調(diào)控，提出了AP-1和BACH1在GBM細(xì)胞中可能存在互補(bǔ)關(guān)系。

Fig5. PTB中GBM細(xì)胞的調(diào)控改變

6、GBM細(xì)胞侵襲過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組調(diào)控

研究人員構(gòu)建了偽時(shí)間軌跡，推斷GBM細(xì)胞在浸潤(rùn)時(shí)如何改變其轉(zhuǎn)錄組。結(jié)果顯示，隨著軌跡的發(fā)展，AP-1活性從起點(diǎn)急劇下降，而B(niǎo)ACH1逐漸增加。GO分析揭示了沿PTB分支上調(diào)基因的功能，包括微管基運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)元遷移等。相反，下調(diào)基因涉及缺氧反應(yīng)、雙鏈斷裂修復(fù)等。這些結(jié)果表明，伴隨AP-1活性下降和BACH1增加，浸潤(rùn)細(xì)胞獲得了更多神經(jīng)元樣的遷移能力，同時(shí)減少了缺氧應(yīng)激和細(xì)胞死亡。

7、靶向AP-1和BACH1的聯(lián)合療法

研究人員測(cè)試了雙重靶點(diǎn)抑制（AP-1和BACH1）是否能產(chǎn)生協(xié)同腫瘤抑制效果。體外實(shí)驗(yàn)顯示，GBM細(xì)胞系U251經(jīng)shRNA介導(dǎo)的BACH1敲低和ERK1/2抑制劑ulixertinib處理后，比單獨(dú)治療更有效地抑制細(xì)胞增殖和遷移。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，聯(lián)合治療顯著改善了腫瘤控制并延長(zhǎng)了生存期。FDA批準(zhǔn)的小分子藥物hemin用于實(shí)現(xiàn)BACH1降解，同樣展示了良好的治療效果。這些數(shù)據(jù)顯示了雙重靶點(diǎn)療法在體外和體內(nèi)對(duì)GBM的有效性，值得進(jìn)一步評(píng)估。

Fig6. 聯(lián)合療法可抑制GBM小鼠模型中的腫瘤生長(zhǎng)并提高生存率

主要結(jié)論 

本研究收集了來(lái)自腫瘤核心（TC）和周邊腦組織（PTB）的配對(duì)樣本，進(jìn)行snRNA-seq和snATAC-seq分析。結(jié)果顯示，從腫瘤核心浸潤(rùn)到周邊腦組織的腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄組水平上更類(lèi)似于少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞而非星形膠質(zhì)細(xì)胞。腫瘤基因組中的遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)域及特定轉(zhuǎn)錄因子可能是區(qū)域異質(zhì)性的潛在決定因素。值得注意的是，激活蛋白1（AP-1）在所有GBM狀態(tài)下均活躍，但其活性從腫瘤核心到周邊腦組織逐漸下降，而另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子BACH1則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。聯(lián)合抑制AP-1和BACH1比單一靶向治療更能有效減緩小鼠模型中的腫瘤進(jìn)展并延長(zhǎng)生存期。綜上所述，我們的研究揭示了浸潤(rùn)GBM細(xì)胞顯著的分子改變，并證明了針對(duì)腫瘤內(nèi)部及其遠(yuǎn)端區(qū)域異質(zhì)性的聯(lián)合治療具有協(xié)同效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：
Wang, Xin et al. “Single-cell multi-omics sequencing uncovers region-specific plasticity of glioblastoma for complementary therapeutic targeting.” Science advances vol. 10,47 (2024): eadn4306.