Nature Cancer | 單細(xì)胞分析揭示肉瘤干細(xì)胞層級(jí)和發(fā)育起源

原創(chuàng)?驕陽(yáng)似我?圖靈基因?2022-09-02 09:35?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：驕陽(yáng)似我

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1.?本文通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序和功能性干細(xì)胞分析，發(fā)現(xiàn)了RMS和人類(lèi)肌肉發(fā)育中共享的腫瘤細(xì)胞層級(jí)結(jié)構(gòu)烙无，確定了腫瘤細(xì)胞常見(jiàn)的發(fā)育停滯階段驮配。融合陰性RMS細(xì)胞類(lèi)似于胚胎和胎兒發(fā)育中的早期肌原細(xì)胞契吉，而融合陽(yáng)性RMS細(xì)胞表達(dá)高度特異性的基因程序裆针，在從胚胎發(fā)育到胎兒發(fā)育的肌肉細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。融合陽(yáng)性RMS細(xì)胞也具有豐富的神經(jīng)通路狀態(tài)痴施，表明其對(duì)肌肉譜系層級(jí)的粘附性較低味榛。

2.在融合陰性RMS中鑒定了一個(gè)腫瘤增殖亞群，該亞群與能產(chǎn)生肌肉和成骨細(xì)胞的雙效肌間質(zhì)祖細(xì)胞具有顯著相似性良价。

橫紋肌肉瘤（RMS）是一種常見(jiàn)的兒童癌癥寝殴，與發(fā)育中的骨骼肌具有相同的特征。然而明垢，細(xì)胞層級(jí)結(jié)構(gòu)與人類(lèi)肌肉發(fā)育的關(guān)系以及分子定義的腫瘤增殖細(xì)胞的鑒定尚未報(bào)道蚣常。

近期，在Nature cancer雜志上發(fā)表了一篇名為“Single-cell analysis and functional characterization uncover the stem cell hierarchies and developmental origins of rhabdomyosarcoma”的文章痊银，發(fā)現(xiàn)了RMS和人類(lèi)肌肉發(fā)育中共享的腫瘤細(xì)胞層級(jí)結(jié)構(gòu)抵蚊，確定了腫瘤細(xì)胞常見(jiàn)的發(fā)育停滯階段；并且在融合陰性RMS中鑒定了一個(gè)腫瘤增殖亞群曼验，該亞群與能產(chǎn)生肌肉和成骨細(xì)胞的雙效肌間質(zhì)祖細(xì)胞具有顯著相似性泌射。

scRNA序列顯示RMS異質(zhì)性。

為了研究RMS中的細(xì)胞狀態(tài)和肌肉發(fā)育等級(jí)鬓照，對(duì)患者的異種移植物進(jìn)行了10X scRNA序列分析熔酷。然后對(duì)細(xì)胞進(jìn)行聚類(lèi)分析，并使用均勻流形近似和投影（UMAP）渲染進(jìn)行可視化豺裆。結(jié)合具有相似基因表達(dá)的細(xì)胞簇拒秘，并使用分子特征數(shù)據(jù)庫(kù)分配保守的細(xì)胞狀態(tài)。

從該分析中發(fā)現(xiàn)了常見(jiàn)的泛癌細(xì)胞狀態(tài)臭猜，包括增殖躺酒、缺氧、凋亡蔑歌、干擾素和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)細(xì)胞特征羹应。還發(fā)現(xiàn)RMS特異性細(xì)胞狀態(tài)，包括：（1）表達(dá)MYLPF次屠、ACTC1园匹、LRRN1、TNNT3和TSPAN33的分化肌細(xì)胞群劫灶；（2）?表達(dá)細(xì)胞外基質(zhì)和間充質(zhì)基因的間充質(zhì)富集群體（間充質(zhì)樣）裸违，其包括MMP2、CD44本昏、PTN供汛、POSTN和THY1（CD90）；和（3）僅在FP-RMS中發(fā)現(xiàn)的富含神經(jīng)通路的細(xì)胞類(lèi)型。

所有五個(gè)FN-RMS腫瘤都含有間充質(zhì)富集細(xì)胞怔昨，而五個(gè)FP-RMS中只有兩個(gè)含有該細(xì)胞亞群雀久。最后，大多數(shù)FP-RMS含有富含神經(jīng)通路的細(xì)胞朱监，表明FP-RM腫瘤通嘲斗龋可以采用這些細(xì)胞狀態(tài)作為轉(zhuǎn)化過(guò)程的一部分。最后赫编，所有患者衍生的RMS腫瘤都含有大量不能表達(dá)任何上述轉(zhuǎn)錄基因模塊的細(xì)胞巡蘸，并被指定為“基態(tài)”。這些數(shù)據(jù)表明擂送，存在四種主要的悦荒、轉(zhuǎn)錄定義的RMS腫瘤細(xì)胞狀態(tài)，包括增殖細(xì)胞嘹吨、基態(tài)細(xì)胞搬味、間充質(zhì)細(xì)胞和分化的肌肉細(xì)胞。

圖1：SCRNA-SEQ揭示了人類(lèi)RMS中不同的細(xì)胞狀態(tài)和腫瘤間異質(zhì)性蟀拷。

并非所有RMS細(xì)胞都能啟動(dòng)腫瘤生長(zhǎng)碰纬。

為了公正地確定FN和FP-RMS PDX模型中腫瘤生長(zhǎng)的潛伏期，將來(lái)自9個(gè)PDX的RMS細(xì)胞移植到NSG小鼠问芬。與FP-RMS相比悦析，FN-RMS重建腫瘤的速度更快。為了進(jìn)一步研究單個(gè)RMS細(xì)胞是否能夠重塑腫瘤并產(chǎn)生所有后續(xù)細(xì)胞狀態(tài)此衅，將來(lái)自四個(gè)PDX的單個(gè)腫瘤細(xì)胞植入NSG小鼠的側(cè)翼强戴。結(jié)果表明四個(gè)PDX中的三個(gè)在單細(xì)胞異種移植物植入后產(chǎn)生腫瘤，包括兩個(gè)FN-和一個(gè)FP-RMS挡鞍。這些結(jié)果證實(shí)骑歹，單個(gè)腫瘤細(xì)胞可以重新填充整個(gè)RMS細(xì)胞狀態(tài)，包括FP-RMS中富含神經(jīng)通路的細(xì)胞狀態(tài)墨微。

圖2：?jiǎn)蝹€(gè)RMS細(xì)胞可以重建癌癥內(nèi)的所有腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性道媚。

RMS與胚胎/胎兒肌肉具有分子相似性。

Davicioni等人先前在原代人類(lèi)RMS中鑒定了亞型特異性轉(zhuǎn)錄基因程序翘县，假設(shè)亞型特異的轉(zhuǎn)錄程序可能與人類(lèi)肌肉發(fā)育的特定階段的停滯有關(guān)最域。使用來(lái)自每個(gè)腫瘤的scRNA序列數(shù)據(jù)的總和來(lái)確定基因表達(dá)，然后通過(guò)比較FP-和FN-PDX之間的基因表達(dá)來(lái)確定差異調(diào)節(jié)基因炼蹦。將該基因列表與Davicioni等人確定的亞型特異性基因特征進(jìn)行比較，以生成FN-RMS或FP-RMS的高度特異性核心特征基因圖譜狸剃。結(jié)果表明掐隐，每個(gè)核心基因模塊在所有腫瘤細(xì)胞中普遍且類(lèi)似地表達(dá)，并且對(duì)FN-或FP-RMS高度特異。

接下來(lái)使用硅片缺失分析（LISA）算法預(yù)測(cè)每個(gè)核心特征中差異表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子虑省。LISA查詢(xún)了一組注釋良好的組蛋白標(biāo)記染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序和染色質(zhì)可及性圖譜的大型數(shù)據(jù)集匿刮，以構(gòu)建與查詢(xún)基因列表的調(diào)節(jié)相關(guān)的染色質(zhì)模型。LISA分析顯示FP-RMS核心基因中PAX3位點(diǎn)的富集度較高探颈。相比之下熟丸，F(xiàn)N-RMS核心特征沒(méi)有預(yù)測(cè)的PAX3調(diào)節(jié)基因的高度富集。

為了測(cè)試亞型特異性核心特征是否在肌肉發(fā)育的特定階段富集伪节，將FP-和FN-RMS核心特征映射到人類(lèi)胚胎光羞、胎兒和成人肌肉細(xì)胞群。FN-RMS核心信號(hào)在分離自胚胎和胎兒發(fā)育的肌肉細(xì)胞中表達(dá)怀大，但在成人肌肉中不表達(dá)纱兑。這些發(fā)現(xiàn)支持一個(gè)模型，兩種RMS亞型都表達(dá)胚胎或胎兒肌肉中發(fā)現(xiàn)的基因程序化借，并發(fā)現(xiàn)FP-RMS細(xì)胞表達(dá)與嚴(yán)格控制的發(fā)育階段相關(guān)的轉(zhuǎn)錄程序潜慎，在該發(fā)育階段，肌原細(xì)胞從胚胎向胎兒肌肉發(fā)育過(guò)渡蓖康。

圖3：?RMS亞型共享共同的基因表達(dá)模式铐炫，并在胎兒和胚胎肌肉發(fā)育的不同階段停止。

RMS細(xì)胞與胚胎/胎兒肌肉共享干細(xì)胞層級(jí)蒜焊。

為了研究不同RMS細(xì)胞狀態(tài)是否與人類(lèi)胚胎和胎兒發(fā)育中發(fā)現(xiàn)的相似倒信，接下來(lái)評(píng)估RMS和正常人類(lèi)肌肉之間的基因表達(dá)模式。

首先量化了來(lái)自胚胎山涡、胎兒和成人發(fā)育的人肌肉祖細(xì)胞堤结、肌細(xì)胞/成肌細(xì)胞和骨骼肌間充質(zhì)干細(xì)胞/祖細(xì)胞（SkM.Mesen）的scRNA序列中RMS轉(zhuǎn)錄基因模塊的富集。通過(guò)基因富集分析（GSEA）鸭丛，RMS增殖基因模塊在6-7周齡胚胎骨骼組織的人類(lèi)肌肉祖細(xì)胞中富集竞穷，反映了與細(xì)胞周期和這些細(xì)胞在發(fā)育期間的快速擴(kuò)增相關(guān)的共享肌肉特異性轉(zhuǎn)錄程序。相比之下鳞溉，分化的RMS肌肉轉(zhuǎn)錄基因模塊在一系列發(fā)育時(shí)間點(diǎn)（包括6-7瘾带、9和12-14周齡）的肌細(xì)胞/成肌細(xì)胞內(nèi)富集。

間充質(zhì)富集的RMS TPC在轉(zhuǎn)錄上與最近描述的SkM.Mesen高度相似熟菲。值得注意的是看政，間充質(zhì)富集的TPC信號(hào)在SkM.Mesen中優(yōu)先表達(dá)。在間充質(zhì)細(xì)胞中抄罕，這些富含間充質(zhì)的TPC表達(dá)成骨基因OGN（骨聚糖）和MGP（基質(zhì)Gla蛋白）允蚣。使用qPCR和抗體共染色驗(yàn)證了間充質(zhì)融合RMS細(xì)胞中OGN和MGP的高表達(dá)。這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證了RMS TPC與SkM.Mesen的顯著相似性呆贿。再次表明嚷兔，6-7周齡胚胎肌肉的早期肌肉祖細(xì)胞基因特征在增殖RMS細(xì)胞中特異性富集森渐。因此，F(xiàn)N-RMS細(xì)胞包含與早期人類(lèi)肌肉發(fā)育中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞狀態(tài)相似的細(xì)胞冒晰。

接下來(lái)評(píng)估了FN-RMS間充質(zhì)富集的TPC生成成骨細(xì)胞類(lèi)型的能力同衣，如果這些細(xì)胞與雙效SkM.Mesen具有相同的轉(zhuǎn)錄和功能，則可以預(yù)測(cè)成骨細(xì)胞的類(lèi)型壶运。從FN-MAST139耐齐、RD和381T細(xì)胞中分離FACS分選的間充質(zhì)忍些、分化的肌肉或反選擇的細(xì)胞俊柔，并在成骨分化培養(yǎng)基中培養(yǎng)18d。三種模型的富含間充質(zhì)的TPC產(chǎn)生的茜素紅S+成骨譜系細(xì)胞顯著增多昭殉，而反向選擇和分化的肌細(xì)胞組分未能有效產(chǎn)生成骨細(xì)胞恕出。這些數(shù)據(jù)支持FN-RMS TPC和最近定義的雙電位SkM.Mesen之間共享干細(xì)胞的狀態(tài)和功能询枚。

圖4：間充質(zhì)富集的FN-RMS TPC與功能強(qiáng)大的SKM.Mesen具有轉(zhuǎn)錄和功能相似性。

本文通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示了患者源性RMS的顯著異質(zhì)性浙巫。最值得注意的是金蜀，本文發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的間充質(zhì)樣細(xì)胞群體，它表達(dá)間充質(zhì)基因的高轉(zhuǎn)錄水平的畴，并驅(qū)動(dòng)FN-RMS腫瘤生長(zhǎng)渊抄。該FN-RMS TPC與最近描述的人類(lèi)SkM.Mesen在分子、發(fā)育和功能方面具有相似性丧裁。本文揭示了人類(lèi)肌肉發(fā)育和RMS之間潛在細(xì)胞層級(jí)結(jié)構(gòu)的顯著守恒护桦。還鑒定了FN-RMS中的一種分子定義的、基本上靜止的TPC煎娇，該TPC在分子二庵、發(fā)育和功能上與新近描述的雙效肌肉間充質(zhì)干/祖細(xì)胞相似。

教授介紹：

David M. Langenau

Langenau實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)是揭示促進(jìn)兒童癌癥生長(zhǎng)和腫瘤增殖細(xì)胞頻率的復(fù)發(fā)機(jī)制缓呛。利用斑馬魚(yú)T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血泊呦怼（T-ALL）和胚胎性橫紋肌肉瘤（ERMS）模型，采用了化學(xué)和遺傳學(xué)方法來(lái)識(shí)別生長(zhǎng)和復(fù)發(fā)的新調(diào)節(jié)劑哟绊。具體研究工作是：

一因妙、?T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病復(fù)發(fā)相關(guān)驅(qū)動(dòng)基因突變的發(fā)現(xiàn)

T-ALL是胸腺細(xì)胞的一種侵襲性惡性腫瘤，常規(guī)化療可提高患者五年生存率票髓。但復(fù)發(fā)患者對(duì)額外治療基本無(wú)反應(yīng)攀涵，預(yù)后非常差。Langenau實(shí)驗(yàn)室利用一種新的復(fù)發(fā)T-ALL斑馬魚(yú)模型和無(wú)偏生物信息學(xué)方法洽沟，發(fā)現(xiàn)了與攻擊性以故、生長(zhǎng)和復(fù)發(fā)傾向增加相關(guān)的新致癌驅(qū)動(dòng)因素。Langenau實(shí)驗(yàn)室正在評(píng)估這些基因在調(diào)節(jié)T-ALL增殖裆操、凋亡和人類(lèi)疾病治療反應(yīng)中的作用怒详。

二鳄乏、胚胎性橫紋肌肉瘤中腫瘤干細(xì)胞的可視化和殺傷

ERMS是一種常見(jiàn)的兒童軟組織肉瘤。Langenau實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)模型棘利，模擬了人類(lèi)ERMS的分子基礎(chǔ)。Langenau研究表明非腫瘤增殖細(xì)胞可能在癌癥進(jìn)展和促進(jìn)轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要的支持作用朽缴。在動(dòng)態(tài)活細(xì)胞成像方法的基礎(chǔ)上善玫，Langenau實(shí)驗(yàn)室采用了化學(xué)遺傳學(xué)方法來(lái)識(shí)別殺死復(fù)發(fā)相關(guān)、自我更新的myf5 GFP+ERMS細(xì)胞的藥物密强。目前正在評(píng)估用于調(diào)節(jié)人ERMS細(xì)胞生長(zhǎng)的藥物子集茅郎。

參考文獻(xiàn)：

Wei, Y., Qin, Q., Yan, C.et al.Single-cell analysis and functional characterization uncover the stem cell hierarchies and developmental origins of rhabdomyosarcoma.Nat Cancer3, 961–975 (2022).?https://doi.org/10.1038/s43018-022-00414-w