題目：Application of Single-Cell Multi-Omics in Dissecting Cancer Cell Plasticity and Tumor Heterogeneity
日期：2021-10-15
期刊：Front. Mol. Biosci
鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmolb.2021.757024/full
腫瘤異質(zhì)性，包括遺傳異質(zhì)性、表觀遺傳異質(zhì)性、表型和功能異質(zhì)性，在腫瘤進(jìn)展中起著至關(guān)重要的作用。研究腫瘤異質(zhì)性的起源一直是研究的重點(diǎn)。例如，已經(jīng)提出癌癥干細(xì)胞、克隆進(jìn)化和細(xì)胞可塑性的理論來解釋異質(zhì)性的起源。此前，高通量測(cè)序技術(shù)已被用于在癌癥研究領(lǐng)域進(jìn)行分子亞型分類、監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)、確定新的治療靶點(diǎn)和探索腫瘤異質(zhì)性。
但是，這些技術(shù)并不是研究腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的理想工具，因?yàn)樗鼈兺ǔz測(cè)混合細(xì)胞群的平均信號(hào)，而不是組織內(nèi)單個(gè)細(xì)胞的信號(hào)。此外，批量測(cè)序技術(shù)很難確定腫瘤生態(tài)系統(tǒng)中不同細(xì)胞亞群的突變狀態(tài)或轉(zhuǎn)錄組。相比之下，單細(xì)胞技術(shù)在剖析細(xì)胞組成及其分子特征方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，為揭示單個(gè)細(xì)胞的混合狀態(tài)提供了機(jī)會(huì)。例如，通過單細(xì)胞 RNA 測(cè)序 (scRNA-seq) 在人類癌癥中發(fā)現(xiàn)了多種癌細(xì)胞的混合狀態(tài)，例如混合 EMT 細(xì)胞和癌癥/免疫細(xì)胞。此外，單細(xì)胞技術(shù)在識(shí)別稀有細(xì)胞群方面具有強(qiáng)大的能力。最后，單細(xì)胞技術(shù)可以區(qū)分腫瘤細(xì)胞和非腫瘤細(xì)胞成分，還可以推斷這些細(xì)胞成分內(nèi)部或之間的相互作用。因此，與批量測(cè)序技術(shù)相比，單細(xì)胞技術(shù)提供了更精細(xì)的腫瘤組織分子特征。
癌細(xì)胞可塑性是指一些癌細(xì)胞在不同細(xì)胞狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)遷移，從而導(dǎo)致腫瘤異質(zhì)性增加并促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。然而，調(diào)節(jié)細(xì)胞可塑性的分子機(jī)制仍然難以捉摸。在這篇綜述總結(jié)了通過單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)剖析癌細(xì)胞可塑性和腫瘤異質(zhì)性的最新進(jìn)展，包括 scRNA-seq、單細(xì)胞 DNA 測(cè)序 (scDNA-seq)、單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)和單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)。
scRNA-seq 已被廣泛用于探索腫瘤內(nèi)異質(zhì)性。例如，scRNA-seq 揭示了胰腺導(dǎo)管腺癌 (PDAC) 中的七個(gè)癌細(xì)胞亞群。然而，大多數(shù) PDAC 患者僅共享一個(gè)亞群，而其他六個(gè)亞群存在于 1-2 名患者中（Peng et al，2019 年）。
此外，已發(fā)現(xiàn)來自不同 PDAC 患者的腫瘤細(xì)胞很難聚集在一起，這表明 PDAC 的腫瘤間異質(zhì)性很高（Lin et al., 2020）。scRNA-seq 也被用于識(shí)別罕見的癌細(xì)胞亞群，以前很難被bulk RNA-seq 識(shí)別。例如，通過 scRNA-seq 在原發(fā)性胃腺癌中鑒定出五個(gè)癌細(xì)胞亞群，其中三個(gè)對(duì)應(yīng)于 Lauren 亞型的組織病理學(xué)特征，而另外兩個(gè)被認(rèn)為是具有不同分子特征的新亞群（Zhang M. et al., 2021）。
另外，scRNA-seq 探索了不同癌細(xì)胞亞群的功能異質(zhì)性。例如，scRNA-seq 確定了肺腺癌 (LUAD) 的三種不同轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，即 tS1、tS2 和 tS3 ( Peng et al., 2019）。tS1和tS3的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)與正常肺上皮細(xì)胞相似，提示正常肺上皮細(xì)胞可能是LUAD的來源。然而，tS2 顯示出完全不同的轉(zhuǎn)錄特征，其特征是與晚期腫瘤相關(guān)的基因表達(dá)增加（Tirosh et al，2016 年）。
scDNA-seq 已被用于識(shí)別單核苷酸變異 (SNV)、拷貝數(shù)改變 (CNA) 和結(jié)構(gòu)變異 (SV)，以及研究腫瘤的遺傳異質(zhì)性。例如，使用 scDNA-seq 研究胃食管結(jié)合部癌的 CNA 模式，發(fā)現(xiàn)在原發(fā)腫瘤和轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)中都有兩個(gè)以上具有不同 CNA 模式的亞克隆，表明在原發(fā)腫瘤和轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)中都存在廣泛的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性（Duan et al，2021 年）。
此外，scDNA-seq 已被用于檢查液體活檢中循環(huán)腫瘤細(xì)胞 (CTC) 的異質(zhì)性，并以非侵入性方式監(jiān)測(cè)癌癥基因組。例如，scDNA-seq 在炎癥性乳腺癌患者的活檢和 CTC 中檢測(cè)到相同的 TP53、RB1、PIK3CA 和 ERBB2 基因突變，這表明 CTC 可能反映原發(fā)性腫瘤的遺傳畸變并作為腫瘤異質(zhì)性的替代檢測(cè)資源（Bingham et al，2017 年）。
單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)也可以用來研究腫瘤異質(zhì)性并揭示腫瘤進(jìn)展的機(jī)制。例如，Wagner 利用CyTOF分析了 144 個(gè)人類乳腺腫瘤和 50 個(gè)非腫瘤組織。他們將上皮細(xì)胞分為七個(gè)腔亞組（L1-L7）和兩個(gè)基底亞組（B1 和 B2）。值得注意的是，觀察到 L3 管腔亞組表達(dá)高水平的 EpCAM 和 CD49f 但ERα表達(dá)量低，這是管腔祖細(xì)胞的特征。相比之下，L4 管腔亞組顯示出高水平的 ERα、AR、HER2、EGFR 和 c-MET，它們與腫瘤細(xì)胞增殖和遷移有關(guān)。他們還發(fā)現(xiàn)通過免疫組織化學(xué)染色識(shí)別為 ER +的腫瘤也包含一部分 ER -細(xì)胞群（Wagner et al，2019）。
此外，Schulz 使用基于 RNAscope 的原位雜交方案與 CyTOF 相結(jié)合分析了乳腺癌中的亞細(xì)胞分辨率 mRNA 和蛋白質(zhì)（Schulz et al，2018 年）。CyTOF 和免疫組織化學(xué)染色的結(jié)合使我們能夠可視化不同細(xì)胞成分的空間分布（Giesen et al，2014 年）。
除了 CyTOF，多種免疫熒光成像技術(shù)已被用于檢測(cè)單細(xì)胞中的多種蛋白質(zhì)。例如，循環(huán)免疫熒光 (CycIF) 已用于檢查福爾馬林固定石蠟包埋 (FFPE) 標(biāo)本（Lin et al., 2018）。
單細(xì)胞表觀基因組學(xué)技術(shù)用來研究異質(zhì)組織內(nèi)細(xì)胞成分的表觀遺傳特征，例如單細(xì)胞 DNA 甲基化測(cè)序和單細(xì)胞染色質(zhì)圖譜。例如，單細(xì)胞 DNA 甲基化測(cè)序顯示，來自不同結(jié)直腸癌患者的腫瘤來源的克隆類器官表現(xiàn)出不同的表觀遺傳狀態(tài)，一個(gè)腫瘤包含多種表觀遺傳狀態(tài)（Roerink et al，2018 年）。單細(xì)胞 ChIP-seq 用于研究乳腺癌染色質(zhì)狀態(tài)的異質(zhì)性，結(jié)果表明耐藥腫瘤比敏感腫瘤表現(xiàn)出更多的異質(zhì)性。值得注意的是，在敏感腫瘤中也可以檢測(cè)到一小部分具有耐藥特征的腫瘤細(xì)胞，表明預(yù)先存在耐藥亞群（Grosselin et al., 2019）。
Wang et al在2019年使用 scATAC-seq 確定了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中的三種癌細(xì)胞亞群，包括前神經(jīng)細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和中間細(xì)胞狀態(tài)。此外，scATAC-seq 幫助研究了肺腺癌小鼠模型中癌細(xì)胞的動(dòng)態(tài)進(jìn)化，揭示了癌癥進(jìn)展的表觀遺傳連續(xù)性（LaFave et al，2020）。
腫瘤微環(huán)境 (TME) 在癌癥的發(fā)展和進(jìn)展中起著至關(guān)重要的作用，它由多種細(xì)胞成分和細(xì)胞外基質(zhì)組成。
泛癌的單細(xì)胞分析揭示了基質(zhì)細(xì)胞的廣泛異質(zhì)性，包括癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞 (CAF)、浸潤的免疫細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞 ( Qian et al., 2020）。scRNA-seq 在人類肝內(nèi)膽管癌中鑒定出六個(gè) CAF 亞群，它們可以通過與腫瘤細(xì)胞相互作用促進(jìn)腫瘤進(jìn)展（Zhang et al，2020 年）。
此外，已經(jīng)在跨物種的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中研究了骨髓細(xì)胞的單細(xì)胞分析，這表明存在兩個(gè)不同的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞群，小膠質(zhì)細(xì)胞和單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞，它們存在于 TME 中并相互競(jìng)爭(zhēng)生存空間（Pombo Antunes et al，2021 年）。scRNA-seq 也已被用于闡明免疫細(xì)胞在乳腺癌抗 PD1 治療反應(yīng)中的異質(zhì)性，這表明 PD1+ T 細(xì)胞在抗 PD1 治療后發(fā)生克隆擴(kuò)增（Bassez et al，2021 年）。
癌細(xì)胞進(jìn)化是腫瘤進(jìn)展過程中的一個(gè)基本過程。Schlesinger et al使用 scRNA-seq 和軌跡分析發(fā)現(xiàn)腺泡細(xì)胞和早期化生細(xì)胞表現(xiàn)出對(duì)兩種命運(yùn)之一的持續(xù)變化，這表明化生細(xì)胞可能不參與從腺泡細(xì)胞、早期化生細(xì)胞到腫瘤細(xì)胞的進(jìn)化過程（Schlesinger et al , 2020 年）。
為了追蹤癌細(xì)胞從原發(fā)性腫瘤到轉(zhuǎn)移性腫瘤的克隆進(jìn)化，Davis et al通過 scRNA-seq 檢查了原發(fā)性腫瘤和三陰性乳腺癌早期轉(zhuǎn)移的異質(zhì)性。他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移性腫瘤的異質(zhì)性與原發(fā)性腫瘤一致，但轉(zhuǎn)移性腫瘤中一個(gè)亞群的比例明顯增加，表明該亞群在轉(zhuǎn)移過程中富集（Davis et al., 2020）。
此外，scDNA-seq已用于研究胃食管結(jié)合部癌的基因組異質(zhì)性和克隆進(jìn)化，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移與原發(fā)腫瘤的相似性大于不同淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移之間的相似性，表明不同的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移可以起源于來自同一原發(fā)腫瘤但獨(dú)立進(jìn)化（Duan et al，2021 年）。
藥物治療已被證明可推動(dòng)癌癥進(jìn)化并增加腫瘤內(nèi)異質(zhì)性。例如，scRNA-seq 揭示了多發(fā)性骨髓瘤患者腫瘤克隆進(jìn)化的三個(gè)主要軌跡，表明近一半的患者表現(xiàn)出克隆動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)錄水平的變化。值得注意的是，一名患者在 4 個(gè)治療周期后表現(xiàn)出從開始治療時(shí) CSAG1 和 MS4A1 基因高表達(dá)的克隆 1 轉(zhuǎn)變?yōu)?CSAG1 和 MS4A1 表達(dá)下調(diào)的克隆 2（Cohen et al，2021）。
單細(xì)胞測(cè)序已在各種癌癥中鑒定出腫瘤細(xì)胞的多種雜交狀態(tài)，例如雜交上皮/間充質(zhì)細(xì)胞、雜交腫瘤/免疫細(xì)胞和雜交腫瘤/內(nèi)皮細(xì)胞。這些混合狀態(tài)可以賦予腫瘤細(xì)胞以不同的潛力來適應(yīng)不斷變化的微環(huán)境。
最近，通過單細(xì)胞測(cè)序已在多種癌癥中鑒定出具有 EMT 特征的癌細(xì)胞亞群。例如，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞已通過 scRNA-seq 分為四種亞型，包括神經(jīng)祖樣細(xì)胞（NPC-like）、少突膠質(zhì)祖樣細(xì)胞（OPC-like）、星形膠質(zhì)樣細(xì)胞（AC-like）和間充質(zhì)樣細(xì)胞( MES-like）細(xì)胞。重要的是，揭示了從 OPC 樣或 NPC 樣細(xì)胞到 MES 樣細(xì)胞的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，表明膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞具有高度可塑性（Neftel et al，2019）。
此外，Wouters et al報(bào)道了黑色素細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞的中間狀態(tài)，它由一組轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)，包括 SOX6、NFATC2、EGR3、ELF1 和 ETV4。他們還證明，敲除 SOX10 基因足以將黑素細(xì)胞和中間細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換為間充質(zhì)樣細(xì)胞狀態(tài)（Wouters et al，2020 年）。
免疫檢查點(diǎn)阻滯劑 (ICB) 已在臨床上用于治療癌癥患者。然而，只有少數(shù)患者對(duì)這些 ICB 有反應(yīng)。不幸的是，關(guān)于腫瘤細(xì)胞免疫逃避的潛在機(jī)制在很大程度上是未知的。
Miao et al發(fā)現(xiàn)鱗狀細(xì)胞癌中的一部分腫瘤起始干細(xì)胞選擇性表達(dá)CD80，這是一種先前確定的免疫細(xì)胞表面配體。他們進(jìn)一步證明，CD80 是腫瘤起始干細(xì)胞承受免疫攻擊所必需的，CD80 可以通過直接與 CTLA4 結(jié)合來抑制細(xì)胞毒性 T 細(xì)胞的活性（Miao et al, 2019）。Chen et al發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)前列腺癌細(xì)胞表達(dá) T 細(xì)胞共刺激基因，表明腫瘤細(xì)胞參與抗原呈遞的潛在作用（Chen et al，2021）。這些發(fā)現(xiàn)表明表達(dá)免疫細(xì)胞標(biāo)志物的腫瘤細(xì)胞是腫瘤細(xì)胞逃避免疫監(jiān)視的機(jī)制之一，為開發(fā)免疫檢查點(diǎn)抑制劑和聯(lián)合靶向治療提供了新途徑。
血管生成是癌癥的標(biāo)志之一。腫瘤細(xì)胞可以轉(zhuǎn)分化為內(nèi)皮細(xì)胞并形成血管類似物，為快速生長(zhǎng)的腫瘤提供營養(yǎng)。
Williamson 等人發(fā)現(xiàn)，來自 SCLC 患者的罕見 CTC 亞群共表達(dá)血管內(nèi)皮鈣粘蛋白 (VE-cadherin) 和細(xì)胞角蛋白，這與血管生成模擬過程一致，在此過程中腫瘤細(xì)胞形成內(nèi)皮細(xì)胞樣的血管。他們還發(fā)現(xiàn) VE-cadherin 的敲低可以增加 SCLC 細(xì)胞對(duì)化療的敏感性（Williamson et al., 2016）。Carlson 等觀察到一種罕見的腫瘤衍生內(nèi)皮細(xì)胞亞群，它有助于神經(jīng)膠質(zhì)瘤小鼠模型中腫瘤組織內(nèi)的血管生成（Carlson et al，2021 年）。這些發(fā)現(xiàn)表明具有內(nèi)皮細(xì)胞特征的腫瘤細(xì)胞可能在腫瘤生長(zhǎng)、耐藥性和轉(zhuǎn)移中起重要作用。
盡管單細(xì)胞技術(shù)極大地增強(qiáng)了我們對(duì)腫瘤異質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，但這些技術(shù)仍然存在靈敏度、規(guī)模和準(zhǔn)確性有限等多重局限性，需要通過技術(shù)改進(jìn)或與其他技術(shù)相結(jié)合來解決。
此外，大多數(shù)單細(xì)胞技術(shù)對(duì)解離的細(xì)胞進(jìn)行分析，這無法還原腫瘤組織的空間結(jié)構(gòu)。隨著新技術(shù)的進(jìn)步，例如空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST），這個(gè)問題可以部分解決。但是，目前的 ST 平臺(tái)分辨率仍然很低，捕獲點(diǎn)通常包含幾個(gè)細(xì)胞。
目前，多數(shù) scRNA-seq 方法僅通過捕獲 polyA RNA 來檢測(cè)蛋白質(zhì)編碼基因，這排除了所有非編碼基因。
最后，解釋單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，這在很大程度上依賴于生物信息學(xué)方法。然而，每種生物信息學(xué)算法都有其自身的優(yōu)勢(shì)和局限性。例如，在腫瘤內(nèi)識(shí)別出的細(xì)胞類型的數(shù)量可能會(huì)受到使用不同參數(shù)的影響。
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