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Cell封面:单细胞测序揭示胶质母细胞瘤的“变形计”

2019/08/13 生物探索
导读:最新研究发现,单细胞RNA测序可以了解胶质母细胞瘤细胞的转录和遗传异质性,发现胶质母细胞瘤细胞在有限数量的细胞状态间分裂,以及不同状态导致单个肿瘤间的患病率不同,且与特定的遗传改变有关。


多形性胶质母细胞瘤(Glioblastoma multiforme ,GBM)是星形细胞肿瘤中恶性程度最高的胶质瘤,目前我们还未找到有效的治愈手段。通常患者在确诊断后两年的时间内便会与死亡相逢。这种疾病之所以难以治疗,很大程度上是因为肿瘤中含有多种不同的细胞,并且其侵袭性在患者之间也存在很大差异。

为什么胶质母细胞瘤如此难以治疗?为什么传统疗法对其不起作用?它还是一个单一性的疾病吗?这些问题不仅深深的困惑着科学家们,还让临床医师对着患者无能为力。

刊登在最新一期《cell》杂志封面上的一项研究或将给出答案。。由马萨诸塞州综合医院(MGH)和Broad研究所的Cyril Neftel博士所领导的实验结果表明:通过单细胞测序的方法了解胶质母细胞的四种亚型之间可以随意切换,也正是如此才导致癌细胞难以用药物杀死。这一发现将有助于开发更好的胶质母细胞瘤治疗方法。


DOI:https ://doi.org/10.1016/j.cell.2019.06.024

确定:肿瘤的四种亚型

2010年,美国杰克逊基因组医学实验室的Roel Verhaak教授在《Cancer Cell》杂志上发表了一篇里程碑式的论文,首次基于患者肿瘤的分子标准将胶质母细胞瘤分为四种亚型:神经祖细胞,少突胶质细胞祖细胞,星形胶质细胞和间充质细胞,这为研究胶质母细胞瘤提供了全新的视角。


DOI:https://doi.org/10.1016/j.ccr.2010.03.017

之后的研究进一步表明,每一种亚型不仅拥有自己独特的基因表达,而且胶质母细胞瘤的组成也总是由一个以上的亚型组成,并且其中组合亚型的比例也可能随着时间和治疗不断发生变化。

这些研究对胶质母细胞瘤的研究绘制了一个大致的框架,但由于这些研究都着眼于大量来自肿瘤细胞中被组合和测序的遗传物质样本,仍然没有提供更详细的细节作为临床医学参考。

测定:四种亚型的基因表达

因此,为了更好地了解肿瘤细胞中这四种亚型的比例变化与胶质母细胞瘤状态的关系,研究人员决定使用单细胞RNA测序技术来揭示个体细胞的基因表达。

Broad's Epigenomics Program的研究所成员,是MGH病理学系的分子病理学家Suvà表示到:“这是迄今为止最大的胶质母细胞瘤单细胞测序研究。我们将个体细胞状态及其相关的遗传改变置于其发育背景中,试图了解哪些细胞类型正在驱动疾病。”


研究人员挑选了20个成人和8个儿童的胶质母细胞瘤患者的共24,131个肿瘤细胞来进行的测序,并在癌症基因组图谱(TCGA)的背景下对401个胶质母细胞瘤细胞描绘了启动子DNA甲基化改变。


四种胶质母细胞瘤细胞状态:从左下方顺时针方向:星形胶质细胞样细胞,少突胶质细胞样祖细胞样细胞,神经祖细胞样细胞和间充质样细胞。较亮/较暗的色调表示每个状态的强度,中间显示中间状态。显示间充质样细胞与巨噬细胞相互作用,表明它们与免疫系统“对话”。图片来源:Leslie Gaffney,Regev实验室/哈佛大学和麻省理工学院

研究人员发现,与先前描述的四种胶质母细胞瘤亚型相关,细胞中存在四种不同的基因表达程序,代表了四种不同的细胞状态:神经祖细胞样,少突胶质细胞样祖细胞样,类星体细胞样和间充质样。尽管表达这四种状态的细胞在某种程度上都与正常的脑细胞类型相似,但其实质具有使细胞癌变的重要差异。

究竟是什么原因导致这些细胞发生癌变呢?在进一步的研究中,研究人员们从遗传基因、肿瘤微环境入手,寻找在特定细胞状态下能够导致细胞癌变的相关的基因。他们发现,CDK4, EGFR和 PDGFRA基因座以及NF1基因座中的突变是胶质母细胞瘤的常见遗传驱动因素,对肿瘤细胞的状态表达以及决定多少细胞处于这种状态具有关键作用,而在间充质样状态的表达上,肿瘤微环境也发挥重要作用。

突破:四种状态随意切换

研究人员们观察发现,虽然大多数细胞都明确自己是四个亚型中的一个,但仍有约15%的细胞同时表达了两个亚型的细胞状态。为了测试这一观察结果,研究人员给小鼠注射仅表达一种来源与人体的胶质母细胞瘤细胞,来观察小鼠体内肿瘤状态的变化。

研究人员从含有四种细胞状态的胶质母细胞瘤中提取出单一的星形胶质细胞样细胞,注入到小鼠体内,而随着时间进展,肿瘤逐渐长大,观察发现此时小鼠体内的肿瘤细胞不仅仅含有星形胶质细胞样状态,还存在其他三种细胞状态,且比例与提取前细胞的比例大致相同。这也就表明胶质母细胞瘤细胞可以从一种状态转变为任何一种状态。

之后在使用基因测序来跟踪个体细胞如何在小鼠胶质母细胞瘤模型和携带人胶质母细胞瘤细胞的小鼠中发展和变化后,该团队得出了相同的结论。


Mariella G. Filbin 图片来源:波士顿儿童医院

Mariella G. Filbin博士表示:肿瘤可以十分容易地随意成为其他东西来逃避我们的药物治疗,这也可以解释为什么在胶质母细胞瘤的治疗上单靶药物会失败!

联合治疗:未来治疗方向


MarioL.Suvà(中间) 图片来源:马萨诸塞州综合医院癌症研究中心

Suvà博士对这些研究结果同样评价到:如果您了解这是一种多种状态驱动它的疾病,每种疾病都有相应的癌症基因,您就会更清楚为什么到目前为止一次针对一种基因失败,这些发现提供了为什么现有的癌症治疗无法阻止胶质母细胞瘤生长的线索。

研究人员们目前正在研发同时针对所有四种肿瘤状态的联合疗法。Filbin博士及其同事正在计划尝试使用基因编辑的方法和药物组合的方法来改变细胞状态。他们希望这些药物可以阻断让肿瘤细胞处于不成熟状态的分子通路,或者将DNA包装成染色质,从而确定RNA的转录。

Filbin博士表示:“将新技术应用于这些恶性肿瘤,让我们有机会从几年前难以想象的全新水平了解它们的驱动力。现在是时候采取这些研究结果并将它们转化为新疗法了。”

参考文献:

[1] An Integrative Model of Cellular States, Plasticity, and Genetics for Glioblastoma

[2] Single-cell sequencing reveals glioblastoma’s shape-shifting nature

[3] Study hints at why an aggressive form of brain cancer is hard to treat

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