2023年12月9日，南方科技大學(xué)聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院等科研團(tuán)隊(duì)，在Nature Communications雜志發(fā)表癌癥細(xì)胞系內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳異質(zhì)性研究的最新成果，題為“Single cell multi-omics reveal intra-cell-line heterogeneity across human cancer cell lines”。該研究中的單細(xì)胞測序基于華大智造DNBelab C系列單細(xì)胞建庫平臺(tái)（scRNA-seq和scATAC-seq）和DNBSEQ測序平臺(tái)。

該研究分析了40個(gè)癌癥細(xì)胞系，深入探索了各個(gè)癌癥細(xì)胞系內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性是不同癌癥的共同特征，并揭示了轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組之間相互作用的分子機(jī)制。此外，還發(fā)現(xiàn)了低氧環(huán)境可以重塑癌癥細(xì)胞系的轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性。該研究為了解癌癥細(xì)胞系內(nèi)異質(zhì)性的潛在機(jī)制及其在人類癌癥細(xì)胞系中的動(dòng)態(tài)變化提供了有價(jià)值的見解，為未來以細(xì)胞系為基礎(chǔ)的癌癥研究提供了寶貴的單細(xì)胞多組學(xué)資源。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)整合相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建了在線分析網(wǎng)站https://db.cngb.org/cdcp/scatlashcl/，開放給全球科研同行使用。

文章題目：Single cell multi-omics reveal intra-cell-lineheterogeneity across human cancer cell lines

發(fā)表時(shí)間：2023-12-9

發(fā)表期刊：Nature Communications

主要研究團(tuán)隊(duì)：南方科技大學(xué)，華大生命科學(xué)研究院等

影響因子：16.600

DOI：10.1038/s41467-023-43991-9

研究背景

過去的研究已經(jīng)證實(shí)癌細(xì)胞之間存在著巨大的異質(zhì)性，這是導(dǎo)致癌癥進(jìn)展、治療耐藥性和癌癥復(fù)發(fā)的重要原因之一。然而，大多數(shù)研究都集中在不同癌癥患者之間的異質(zhì)性，而對(duì)于同一癌癥患者內(nèi)部的單細(xì)胞層面的異質(zhì)性了解較少。因此，該研究旨在通過單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)來揭示人類癌癥細(xì)胞系內(nèi)的異質(zhì)性，并可能為癌癥治療提供新的策略和目標(biāo)。

研究樣本

采用DNBelab C系列單細(xì)胞建庫平臺(tái)和DNBSEQ測序儀開展scRNA-seq和scATAC-seq，分析了40個(gè)人類癌癥細(xì)胞系樣本（分布在9個(gè)譜系中，以實(shí)體瘤為主），以及2個(gè)人類正常細(xì)胞系樣本（對(duì)照），涵蓋了包括頭頸癌、結(jié)直腸癌、肺癌、乳腺癌等多種癌癥。

研究成果

1. 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序揭示癌癥細(xì)胞系內(nèi)的潛在轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性

研究人員采用scRNA-seq獲得了40個(gè)人類癌癥細(xì)胞系和2個(gè)人類正常細(xì)胞系的23,089個(gè)細(xì)胞，包含34,641個(gè)轉(zhuǎn)錄本，每個(gè)細(xì)胞捕獲了5,859個(gè)基因，顯示了該數(shù)據(jù)集的高質(zhì)量。之后通過Seurat將42個(gè)細(xì)胞系形成的不同簇進(jìn)行UMAP可視化，繪制了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜（圖1）。

圖1 scRNA-seq揭示細(xì)胞系內(nèi)單細(xì)胞水平的異質(zhì)性特征

研究人員進(jìn)一步利用UMAP可視化的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜結(jié)合多樣性評(píng)分，對(duì)癌癥細(xì)胞系內(nèi)異質(zhì)性進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)癌癥細(xì)胞系內(nèi)異質(zhì)性是人類癌癥細(xì)胞系的共同特征，但不同細(xì)胞系的異質(zhì)性程度不同（圖2）。此外，癌癥細(xì)胞系內(nèi)異質(zhì)性可能受到不同亞克隆和細(xì)胞系內(nèi)在可塑性的影響，不同細(xì)胞系之間的相對(duì)貢獻(xiàn)有所差異?？傊@些發(fā)現(xiàn)揭示了即使在表面上看起來是同系的細(xì)胞，實(shí)際上存在著細(xì)胞系內(nèi)的潛在異質(zhì)性。

圖2 細(xì)胞系內(nèi)轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性的不同模式

2. 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與表觀基因組的相互作用

雖然單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)可以檢測細(xì)胞的多樣性，但僅僅基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)來解釋表觀基因組調(diào)控編碼仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。相比之下，scATAC-seq可以更直接地描述異質(zhì)細(xì)胞群體中增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的全基因組動(dòng)態(tài)。因此，研究人員進(jìn)一步利用scATAC-seq來研究單個(gè)細(xì)胞系的表觀基因組異質(zhì)性（圖3）。

圖3 scATAC-seq揭示細(xì)胞系內(nèi)染色質(zhì)可及性特征

為了確定觀察到的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性的來源，研究人員首先分析了惡性腫瘤中很較為常見的基因變異。根據(jù)scRNA-seq數(shù)據(jù)推斷了拷貝數(shù)變異（copy number variation，CNV），發(fā)現(xiàn)基因變異是決定離散模式細(xì)胞系內(nèi)異質(zhì)性的重要因素（圖4）。然而，并不是所有的離散模式細(xì)胞系都有CNV亞克隆，而且CNV亞克隆并不總是與轉(zhuǎn)錄亞群相聯(lián)系，表明有其他因素影響轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性。

圖4 CNVs在轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性中的作用評(píng)估

為了進(jìn)一步探索表觀基因組異質(zhì)性的機(jī)制，研究人員首先利用ArchR和ChromVAR工具確定了驅(qū)動(dòng)亞簇之間染色質(zhì)可及性差異的潛在轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors，TFs），并指出FOXA2、NFE2L2和NFYB等TFs在驅(qū)動(dòng)癌癥細(xì)胞系異質(zhì)性方面發(fā)揮著重要作用（圖5）。

圖5 受表觀遺傳可塑性調(diào)節(jié)的表達(dá)異質(zhì)性

最近的研究表明，癌癥基因可以在染色質(zhì)外環(huán)狀DNA（extrachromosomal circular DNAs，ecDNA）上擴(kuò)增，因此研究人員進(jìn)一步利用scATAC-seq數(shù)據(jù)檢測了潛在的ecDNA區(qū)域，成功鑒定了經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的ecDNA，并表明癌癥基因在這些區(qū)域富集（圖6）。研究結(jié)果表明，ecDNA可通過增加基因的拷貝數(shù)和影響特定TFs的活性來促進(jìn)轉(zhuǎn)錄表達(dá)的異質(zhì)性，并證明了ecDNA對(duì)多種細(xì)胞系（包括MDA-MB-231和SNB75）中細(xì)胞異質(zhì)性的影響。

圖6 ecDNA對(duì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性的貢獻(xiàn)

3. 細(xì)胞系增殖過程中的轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)變化

研究人員進(jìn)一步利用譜系追蹤實(shí)驗(yàn)探討了癌癥細(xì)胞系中細(xì)胞異質(zhì)性的動(dòng)態(tài)變化。通過追蹤MDA-MB-231和HCT 116細(xì)胞系中單細(xì)胞及其衍生細(xì)胞的獨(dú)特核酸序列（分別代表離散和連續(xù)異質(zhì)性模式），研究人員在不同時(shí)間點(diǎn)觀察到穩(wěn)定的細(xì)胞組成和相似的聚類模式，表明了總體分布的穩(wěn)定性。然而，單個(gè)細(xì)胞具有顯著的轉(zhuǎn)錄組可塑性，表現(xiàn)出在同一細(xì)胞群內(nèi)的不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換（圖7）。這種現(xiàn)象在離散和連續(xù)細(xì)胞系中均被觀察到，表明其在癌癥細(xì)胞群中的廣泛存在性。

圖7 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性的可塑性

4. 低氧環(huán)境驅(qū)動(dòng)癌癥細(xì)胞異質(zhì)性響應(yīng)

研究人員進(jìn)一步評(píng)估了這些轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性在不同條件下是靜態(tài)的還是可塑性的。由于實(shí)體瘤中腫瘤細(xì)胞往往處于不同程度的低氧狀態(tài)，因此研究人員選擇低氧干預(yù)作為環(huán)境應(yīng)激條件，發(fā)現(xiàn)低氧會(huì)引起基因表達(dá)的顯著變化，特別是與低氧相關(guān)的基因（圖8）。研究人員觀察到兩種類型的細(xì)胞響應(yīng)模式，一種是低氧前后細(xì)胞簇的一對(duì)一匹配，表明了穩(wěn)定的異質(zhì)性（以ZR-75-1為例）；另一種是一些細(xì)胞簇從一個(gè)分裂到多個(gè)，表明同一群體內(nèi)存在差異響應(yīng)（以DLD-1、SW620為例）。這些發(fā)現(xiàn)表明，異質(zhì)性染色質(zhì)可及性促進(jìn)了看似同系的細(xì)胞群的異質(zhì)性應(yīng)激響應(yīng)。

圖8 細(xì)胞在低氧環(huán)境下的差異響應(yīng)

研究總結(jié)

該研究通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組分析，成功揭示了在人類癌癥細(xì)胞系中存在的異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)，在表面上看起來是同系的細(xì)胞中，存在潛在的異質(zhì)性，且在細(xì)胞系的擴(kuò)增過程中，單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組特征會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。通過整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)，研究顯示轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組之間存在相互作用，此外，研究發(fā)現(xiàn)低氧干預(yù)可以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的異質(zhì)性響應(yīng)。

這些發(fā)現(xiàn)為深入理解同一癌癥細(xì)胞系的單細(xì)胞水平的異質(zhì)性提供了重要的見解，并為制定個(gè)體化治療策略和解決癌癥治療耐藥性提供了新的思路和理論基礎(chǔ)。

華大生命科學(xué)研究院吳靚研究員、劉石平研究員、劉龍奇研究員，南方科技大學(xué)陳煒教授、方亮副研究員為該論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)朱瓊花博士、李艷萍，華大生命科學(xué)研究院趙鑫、張遠(yuǎn)航、劉尚為論文共同第一作者。華大生命科學(xué)研究院院長徐訊、時(shí)空組學(xué)領(lǐng)域首席科學(xué)家陳奧等對(duì)該研究亦有貢獻(xiàn)。

*本文部分轉(zhuǎn)載自華大時(shí)空