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

編者按：

單細胞多組學(xué)技術(shù)以很高的精度和深度，徹底改變我們對復(fù)雜疾病的理解。整合單個細胞的染色質(zhì)可及性、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平，可揭示傳統(tǒng)方法無法捕捉的細胞異質(zhì)性和分子機制。新研究利用單細胞核RNA測序和ATAC測序，深入剖析了膠質(zhì)母細胞瘤（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，還為個性化治療提供了堅實基礎(chǔ)。

研究背景

膠質(zhì)母細胞瘤（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個月。為了開發(fā)更有效的治療方法，研究人員利用單細胞核RNA測序和單細胞ATAC測序，分析了配對的GBM患者樣本，構(gòu)建了詳細的細胞類型圖譜，揭示了GBM內(nèi)部的高度異質(zhì)性和不同細胞類型的基因表達模式�？傮w而言，本研究為理解GBM的細胞異質(zhì)性和分子機制提供了新視角，并為個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：單細胞多組學(xué)測序揭示膠質(zhì)母細胞瘤的區(qū)域特異的可塑性及其互補治療靶標(biāo)
發(fā)表時間：2024.11
期刊名稱：Science Advances
影響因子：11.7
實驗平臺：單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序+ATAC測序
DOI：10.1126/sciadv.adn4306

研究結(jié)果 

1、配對GBM患者組織的單細胞多組學(xué)譜型

為了揭示膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）的異質(zhì)性，研究人員利用單細胞RNA測序（snRNA-seq）和單細胞ATAC測序（snATAC-seq），分析了配對的GBM患者樣本。通過整合這兩種技術(shù)，研究團隊構(gòu)建了詳細的細胞類型圖譜，展示了不同細胞類型的基因表達和染色質(zhì)可及性特征。這項工作為個性化醫(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基因表達和染色質(zhì)可及性的單細胞圖譜

2、細胞類型特異性調(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個具有高度細胞類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CRE鏈接的基因，每個基因平均連接到5個CREs，強調(diào)了遠端調(diào)控元件在調(diào)控細胞類型特異性基因表達中的重要作用。這些發(fā)現(xiàn)為探索新型治療靶點提供了理論基礎(chǔ)。

Fig2. 遠端峰賦予細胞類型特異性并揭示潛在的細胞類型特異性TF調(diào)節(jié)

3、浸潤至周邊腦組織的惡性細胞具有獨特的轉(zhuǎn)錄組特征

研究人員使用inferCNV和Uphyloplot2分析GBM細胞的基因組結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)浸潤至周邊腦組織（PTB）的GBM細胞表現(xiàn)出較弱的泛癌特征，并在代謝和增殖方面不活躍。進一步的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，PTB中的細胞誘導(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)境對其有顯著影響。

Fig3. 浸潤的GBM細胞與TC中的GBM細胞相比具有不同的特征

4、多樣化的轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動GBM細胞狀態(tài)

本部分探討了GBM細胞狀態(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細胞在PTB中比例增加，而AC-like細胞減少。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，需要謹慎考慮作為治療靶點。

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

5、PTB區(qū)域中AP-1活性下降而BACH1活性增加

研究人員在單細胞水平上比較了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，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增強子在PTB_G中的更高活性，提示其表達上調(diào)可能由遠端增強子調(diào)控，提出了AP-1和BACH1在GBM細胞中可能存在互補關(guān)系。

Fig5. PTB中GBM細胞的調(diào)控改變

6、GBM細胞侵襲過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)錄組調(diào)控

研究人員構(gòu)建了偽時間軌跡，推斷GBM細胞在浸潤時如何改變其轉(zhuǎn)錄組。結(jié)果顯示，隨著軌跡的發(fā)展，AP-1活性從起點急劇下降，而BACH1逐漸增加。GO分析揭示了沿PTB分支上調(diào)基因的功能，包括微管基運動、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，浸潤細胞獲得了更多神經(jīng)元樣的遷移能力，同時減少了缺氧應(yīng)激和細胞死亡。

7、靶向AP-1和BACH1的聯(lián)合療法

研究人員測試了雙重靶點抑制（AP-1和BACH1）是否能產(chǎn)生協(xié)同腫瘤抑制效果。體外實驗顯示，GBM細胞系U251經(jīng)shRNA介導(dǎo)的BACH1敲低和ERK1/2抑制劑ulixertinib處理后，比單獨治療更有效地抑制細胞增殖和遷移。體內(nèi)實驗也證實，聯(lián)合治療顯著改善了腫瘤控制并延長了生存期。FDA批準(zhǔn)的小分子藥物hemin用于實現(xiàn)BACH1降解，同樣展示了良好的治療效果。這些數(shù)據(jù)顯示了雙重靶點療法在體外和體內(nèi)對GBM的有效性，值得進一步評估。

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

主要結(jié)論 

本研究收集了來自腫瘤核心（TC）和周邊腦組織（PTB）的配對樣本，進行snRNA-seq和snATAC-seq分析。結(jié)果顯示，從腫瘤核心浸潤到周邊腦組織的腫瘤細胞在轉(zhuǎn)錄組水平上更類似于少突膠質(zhì)細胞前體細胞而非星形膠質(zhì)細胞。腫瘤基因組中的遠端調(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，而另一個轉(zhuǎn)錄因子BACH1則表現(xiàn)出相反的趨勢。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展并延長生存期。綜上所述，我們的研究揭示了浸潤GBM細胞顯著的分子改變，并證明了針對腫瘤內(nèi)部及其遠端區(qū)域異質(zhì)性的聯(lián)合治療具有協(xié)同效應(yīng)。

參考文獻：
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.