Nat Rev 丨 如何巧妙使用條形碼單細(xì)胞技術(shù)探索癌癥異質(zhì)性

原創(chuàng)?珍奇?圖靈基因?2022-09-01 10:40?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿分子生物學(xué)技術(shù)

撰文：珍奇

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本篇綜述討論了細(xì)胞條形碼技術(shù)在癌癥研究中的使用炒刁，強(qiáng)調(diào)光學(xué)和基因條形碼在新發(fā)現(xiàn)中的貢獻(xiàn)翔始，并討論了在使用這些方法時(shí)的挑戰(zhàn)和考慮。

腫瘤往往是由眾多基因組特定的惡性克隆組成渤闷，其中只有少數(shù)克隆可逃避癌癥治療形成有癥狀的病變飒箭。因此蜒灰，具有高度基因組多樣性的腫瘤導(dǎo)致病人死亡的幾率更高强窖，但克隆的命運(yùn)可能是由非基因組特征驅(qū)動(dòng)的。在這種情況下脑漫，新技術(shù)的出現(xiàn)不僅可以追蹤單個(gè)細(xì)胞及其后代的命運(yùn)咙崎，還可以利用各種全能分析來(lái)研究其分子特征叙凡。最近快速發(fā)展的細(xì)胞條形碼技術(shù)，有助于標(biāo)記數(shù)百萬(wàn)至千萬(wàn)的癌癥克隆跛璧，并識(shí)別與不同微環(huán)境中克隆命運(yùn)相關(guān)的復(fù)雜機(jī)制以及對(duì)治療的反應(yīng)新啼。2022年8月18日，《Nature Reviews Cancer》雜志發(fā)布了一篇名為“Mastering the use of cellular barcoding to explore cancer heterogeneity”的綜述座柱，其中介紹了慢病毒細(xì)胞條形碼技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了這些技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)和局限性戏锹，并討論了在設(shè)計(jì)條碼實(shí)驗(yàn)時(shí)必須考慮的一些關(guān)鍵概念锦针。最后置蜀，作者提出了新的方向以進(jìn)一步改善這些技術(shù)在癌癥研究中的應(yīng)用。

腫瘤異質(zhì)性是癌癥診斷和治療的主要障礙之一。在同一癌癥類型中秋秤，細(xì)胞和分子異質(zhì)性存在于分子亞型灼卢、患者、癌癥病灶和特定病灶的細(xì)胞之間。從細(xì)胞的角度來(lái)看灿巧，腫瘤異質(zhì)性的特點(diǎn)是具有不同形態(tài)和表型特征的細(xì)胞亞群抠藕。癌細(xì)胞雖然起源于體內(nèi)的單一惡性細(xì)胞蒋困，但在增殖時(shí)，它們的DNA會(huì)積累突變零院。因此村刨，隨著時(shí)間的推移嵌牺，腫瘤演變?yōu)楦叨炔煌陌┌Y克隆體龄糊，在其生存炫惩、增殖和侵入遠(yuǎn)處器官的能力方面具有獨(dú)特的特性他嚷。

在分子水平上搔扁，可確定癌癥克隆特征的新一代測(cè)序技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。大型癌癥基因組學(xué)項(xiàng)目扭勉，如癌癥基因組圖譜（TCGA）或國(guó)際乳腺癌分子分類學(xué)聯(lián)盟（METABRIC）涂炎，提供了對(duì)腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的大量深入表述设哗。然而网梢，這些技術(shù)通過(guò)對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的細(xì)胞進(jìn)行平均战虏，可能會(huì)掩蓋低頻突變，并提供反映最豐富克隆的基因表達(dá)值巡社。在這種情況下手趣，細(xì)胞條形碼技術(shù)提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)绿渣，可以同時(shí)全面監(jiān)測(cè)多個(gè)克隆的健康狀況。細(xì)胞條形碼方法依賴于用獨(dú)特的“條形碼”標(biāo)記單個(gè)細(xì)胞潜圃，條形碼由半隨機(jī)的DNA序列組成谭期，或者在遺傳或光學(xué)條形碼的情況下由熒光蛋白組合而成。條形碼一旦集成到細(xì)胞中踏志，將在分裂過(guò)程中被每個(gè)細(xì)胞復(fù)制和繼承针余。因此凄诞，條形碼會(huì)傳遞給細(xì)胞的后代帆谍，這種策略使人們能夠繪制大量親代細(xì)胞的克隆命運(yùn)圖，其動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于scRNA-seq所提供的烈涮。

細(xì)胞條形碼是一種單細(xì)胞追蹤策略坚洽，能夠根據(jù)對(duì)條碼（分別為半隨機(jī)DNA序列或熒光蛋白）的檢測(cè)來(lái)追蹤標(biāo)記細(xì)胞及其后代的命運(yùn)西土。其中需了，遺傳條形碼可通過(guò)測(cè)序檢測(cè)不同條形碼的豐度；光學(xué)條碼則通過(guò)顯微鏡和流式細(xì)胞儀來(lái)研究克隆的命運(yùn)。文中詳細(xì)描述的這兩種條形碼方法都依賴于慢病毒感染住拭，將條形碼整合到癌細(xì)胞的基因組中历帚。因此挽牢，這些標(biāo)簽將傳遞給后代禽拔，確保對(duì)克隆的縱向追蹤室叉。

圖1.?遺傳和光學(xué)條碼所涉及的多步驟流程

癌癥中的細(xì)胞條碼作為一種單細(xì)胞追蹤工具茧痕，可在一定規(guī)模上對(duì)腫瘤異質(zhì)性的研究恼除，這在以前是無(wú)法用其他方法實(shí)現(xiàn)的踪旷。在保持經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的同時(shí)，它匯集了兩方面的優(yōu)點(diǎn)：批量分析的規(guī)模和單細(xì)胞測(cè)序的精度豁辉。因此令野，遺傳和光學(xué)條碼技術(shù)已經(jīng)成功地用于研究癌癥異質(zhì)性的不同方面。了解不同克隆對(duì)外部刺激（包括治療）的反應(yīng)徽级，以及對(duì)負(fù)責(zé)腫瘤進(jìn)展和疾病復(fù)發(fā)的侵略性克隆的特征气破，對(duì)于設(shè)計(jì)更好的治療方法來(lái)監(jiān)測(cè)和治療癌癥至關(guān)重要。

雖然基因條碼和光學(xué)條碼都可用于追蹤癌癥克隆灰追，但每種方法都有一些屬性使其更適用于關(guān)注腫瘤異質(zhì)性的某些特定方面堵幽。基因條碼提供了高度多樣化的獨(dú)特條碼朴下，允許在更大范圍內(nèi)研究克隆行為，而光學(xué)條碼提供了在空間范圍內(nèi)識(shí)別腫瘤克隆結(jié)構(gòu)的精確性苦蒿。本文討論了在選擇和使用細(xì)胞條形碼技術(shù)時(shí)至關(guān)重要的技術(shù)特點(diǎn)和考慮因素殴胧，以及它們的未來(lái)發(fā)展。

圖2.?遺傳和光學(xué)條碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

圖3.?細(xì)胞條形碼實(shí)驗(yàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)

新的細(xì)胞條碼庫(kù)和應(yīng)用每年都在出現(xiàn)佩迟，每一個(gè)都有新的特點(diǎn)团滥，能夠?qū)Π┌Y異質(zhì)性進(jìn)行更詳細(xì)和更全面的分析，這將十分有助于癌癥研究报强。細(xì)胞條碼已經(jīng)填補(bǔ)了其他測(cè)序分析留下的一些空白灸姊，為癌癥異質(zhì)性提供了一個(gè)更廣泛的整體視圖。遺傳和光學(xué)條碼能夠同時(shí)跟蹤多個(gè)克隆對(duì)選擇壓力的反應(yīng)秉溉，無(wú)論其頻率如何力惯。它還能以可承受的成本監(jiān)測(cè)不同器官內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的克隆命運(yùn)，在單細(xì)胞水平上提供對(duì)細(xì)胞內(nèi)異質(zhì)性的密切觀察召嘶，以及對(duì)細(xì)胞間異質(zhì)性和器官間播種的更廣泛描述父晶。未來(lái)，隨著測(cè)序弄跌、成像和流式細(xì)胞儀技術(shù)性能的提高和價(jià)格的上漲甲喝，這些方法的使用會(huì)越來(lái)越多。當(dāng)應(yīng)用于臨床相關(guān)模型時(shí)铛只，這些工具有可能改變我們對(duì)癌癥進(jìn)展的理解埠胖，并為預(yù)測(cè)和治療復(fù)發(fā)疾病的新策略提供信息糠溜。

教授介紹：

Delphine Mérino，Olivia Newton-John癌癥研究所所長(zhǎng)押袍。其團(tuán)隊(duì)主要研究乳腺癌的轉(zhuǎn)移诵冒，他們正試圖在患者的腫瘤中識(shí)別能夠逃逸、在淋巴系統(tǒng)或血液系統(tǒng)中存活并成功定植遠(yuǎn)處器官的細(xì)胞谊惭，目標(biāo)是確定最有可能形成臨床相關(guān)轉(zhuǎn)移的細(xì)胞的生物學(xué)特征汽馋，了解這些細(xì)胞如何與其微環(huán)境相互作用，以及它們?cè)诓煌霓D(zhuǎn)移部位之間是否存在差異圈盔。

參考文獻(xiàn)：

Serrano, A., Berthelet, J., Naik, S.H., et al.?Mastering the use of cellular barcoding to explore cancer heterogeneity. Nat Rev Cancer (2022).?https://doi.org/10.1038/s41568-022-00500-2