2022-12-14

Nat Gene | 胶质瘤肿瘤细胞状态和空间组织图谱: 年龄相关的微环境因素

原创 夏天 图灵基因 2022-12-14 14:04 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：夏天

IF=41.307

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亮点：

1、此项研究为肿瘤细胞内在特性、空间组织结构和微环境相互作用的时空背景特异性提供了蓝图，在共同的K27M 驱动突变的条件下，这些相互作用共同协调细胞特性，为H3-K27M突变体弥漫性中线胶质瘤的合理建模和治疗干预提供了一个强有力的框架。

2、研究提出OPC样细胞是K27M突变介导的肿瘤发生的核心，将来可能成为儿童脑桥H3-K27M DMGs的一个重要的治疗靶点。

近日，由来自哈佛大学布罗德研究所的研究人员Ilon Liu等人在《nature genetics》杂志上发表了名“The landscape of tumor cell states and spatial organization in H3-K27M mutant diffuse midline glioma across age and location”的研究文章。研究者通过仔细分析H3-K27M突变体弥漫性中线胶质瘤患者的单细胞转录组、表观基因组和空间结构，描述了年龄和解剖位置如何在共同的K27M 驱动突变的条件下塑造胶质瘤细胞的内外特征。研究发现，干细胞样少突胶质细胞前体样细胞存在于所有临床解剖组中，并显示出不同程度的成熟程度，与免疫微环境中的年龄依赖性差异有关。研究还进一步解决了H3-K27M突变体弥漫性中线胶质瘤细胞群的空间组织，并确定了一个有丝分裂少突胶质细胞谱系的生态位。总的来说，此项研究为H3-K27M突变体弥漫性中线胶质瘤的合理建模和治疗干预提供了一个强有力的框架。

H3-K27M突变体弥漫性中线胶质瘤是最致命的脑肿瘤之一。H3-K27M突变最常发生在儿童脑桥的融合中线胶质瘤（DMGs）中，也越来越多的被发现于成人DMGs中。先前的研究表明，脑桥和早期神经发育窗口中的前体细胞与K27M突变介导的胶质瘤的发生具有时空相关性。从细胞本质上讲，K27M突变导致广泛的表观遗传失调，从而将发育受限的细胞转化为致瘤性干细胞样状态。对儿童脑桥H3-K27M肿瘤的单细胞RNA测序（scRNA-seq）进一步证明，大多数胶质瘤细胞处于癌症干细胞样少突胶质细胞前体细胞（OPC）样状态，能够进行自我更新和成为肿瘤起始点，这表明OPC样细胞是K27M突变介导的肿瘤发生的核心，将来可能成为儿童脑桥H3-K27M DMGs的一个重要的治疗靶点。

此项研究中，研究者利用单细胞多组学和空间转录组学方法分析了一个扩展队列，其中包括了广泛的年龄分布和解剖位置。确定了年龄和位置因素如何塑造细胞的内在和外在特征，并与K27M突变共同决定了胶质瘤空间和细胞结构的变异。

1、跨年龄组和位置的H3-K27M DMGs队列

研究者对50个H3-K27M突变患者肿瘤进行了多组学分析，位置包括脑桥、丘脑、下脑干和脊柱。中位年龄为12岁。对43例肿瘤进行了scRNA-seq/snRNA-seq测序。此外，研究者还利用单细胞/单核测序（scATAC染色质-seq/snATAC-seq）分析了8个肿瘤的开放染色质谱，以及通过原位测序分析了14个肿瘤的单细胞空间转录组结构。但并没有发现不同组间的共突变谱存在显著差异。

2、H3-K27M DMGs细胞组成跨越年龄和位置

评估肿瘤间和肿瘤内异质性的互补方法一致地识别出差异表达的肿瘤细胞OPC样、AC样、OC样和MES样特征。OPC样细胞又进一步分为3个亚群。通过单细胞调控网络推断和分析（scict）重建了活性转录因子（TFs）及其下游基因靶点（基因调控网络（GRNs））的网络，发现正常胶质细胞中的关键GRN在H3-K27M DMG肿瘤细胞中同样活跃。进一步比较了不同肿瘤部位和不同年龄组的细胞组成。发现MES样细胞在成人肿瘤中大量富集，并通过RNA原位杂交验证。而MES样特征与年龄相关，这可能将这种细胞状态与细胞外部/环境驱动因素联系起来。

3、OPC样亚群的定位特异性

典型的OPC标记在OPC样1亚群中高表达，而OPC样2和3亚群高表达少突胶质细胞前体相关的标记基因。此外，OPC样2亚群高表达编码核糖体蛋白的基因，而OPC样3亚群高表达即时早期反应基因，这些基因之前被认为是不正常（前）OPC亚群标记。当我们将这些OPC样亚群投射到人类端脑和小鼠皮质的scRNA-seq图谱时，OPC样1亚群确实映射到成熟OPCs，而OPC样2和3亚群更类似于前OPCs。使用scRNA-seq数据集对OPC样亚群体特异性GRN分析，发现TFs在OPC样1亚群中特异性活跃。进一步对比这些OPC样亚群在时空分层队列中的比例，桥内肿瘤组织中OPC样2和3亚群显著富集，OPC样1亚群在丘脑肿瘤中富集。

4、H3-K27M DMGs细胞群的开放染色质谱

为了解决H3-K27M DMG细胞异质性是如何在染色质水平上调控的，我们通过scATAC-seq探索了8个肿瘤单细胞转录组的染色质谱。数据进一步证实了染色质调控和基因表达的紧密交织和细胞状态特异性环。研究显示，单细胞染色质可及性独立地再现了H3-K27M DMG肿瘤的相应单细胞转录组中确定的主要细胞谱系。我们的多模态分析揭示了细胞状态特异性CREs是更大的GPC相关调控复合物的构建模块。这些GPCs在OPC样/OC样细胞中富集，加强了H3-K27M DMGs的中心作用。这些结果可以用来更深入地研究H3-K27M DMG细胞身份选择关键的内在调控因子。

5、H3-K27M DMGs中的年龄特异性髓系细胞图谱

研究利用报道的典型标记基因将TAMs分为脑内小胶质细胞或单核细胞来源的巨噬细胞。发现成人H3-K27M DMGs含有更高比例的单核细胞来源巨噬细胞，而儿童H3-K27M DMGs则含有更高比例的脑内小胶质细胞。我们还发现，H3-K27M DMG相关的TAMs上调配体和标记基因，随着年龄的增长可以诱导肿瘤细胞MES样状态，从而将年龄特异性的肿瘤免疫微环境与成人H3-K27M DMGs中观察到的MES样肿瘤细胞的增加联系起来。这说明了年龄相关的微环境因素可能塑造不同地肿瘤细胞状态。

6、绘制H3-K27M DMGs的单细胞空间结构

为了将从scRNA-seq/snATAC-seq得到的细胞群定位到完整的H3-K27M DMGs组织中的空间位置，研究者使用从scRNA-seq数据集中筛选出的116个细胞类型特异性组合标记基因，对16例患者的H3-K27M DMGs组织切片进行了基于杂交的原位测序（HybISS）。研究结果解决了scRNA-seq确定的H3-K27M DMGs细胞群在天然肿瘤组织中的空间结构。研究揭示了整体和异质的细胞关系和邻近关系，特别表明存在有丝分裂干细胞样生态位在少突胶质细胞系的H3-K27M肿瘤细胞（opc样和oc样癌细胞）中共定位。这些发现有助于进一步研究针对H3-K27M DMGs肿瘤细胞群及其相关生态位的区域和时间扰动的潜在治疗途径。

7、H3-K27M DMGs的时空背景特异性组成示意图总结

将儿童与成人患者组（x轴）和桥脑与丘脑中线位置（y轴）进行比较，并分别描述了肿瘤细胞组成的代表性模型图像。所有肿瘤组都有丰富的OPC样细胞，也有更多分化的AC样、OC样、MES样和非恶性微环境细胞。MEs样细胞随着年龄的增长而增加，在儿童肿瘤中小胶质细胞的比例更高，而成人肿瘤中巨噬细胞的比例则会增加。定位特异性存在于不同的OPC样细胞的成熟阶段——脑桥肿瘤含有的成熟OPC样细胞较少，而在丘脑肿瘤中富集，这一特征的出现要么是由于区域特异性的细胞内在特征，要么是由于当地环境生态位内的相互作用导致位置相关的多样化。

作者最后总结到：我们在时间和空间上提供了广泛的H3-K27M DMG细胞异质性资源，有助于描绘在时空环境特异性下的细胞特性和微环境生态位之间多方面的相互作用，为这种致命性胶质瘤的不同临床解剖组设计合理的建模研究和治疗框架。

教授介绍

Ilon Liu 教授，任职于哈佛大学布罗德研究所，致力于数据管理、形式分析、调查、方法论、可视化和写作 - 评论和编辑等，在肿瘤免疫治疗及分子通路方面做出了杰出贡献。

参考文献

Liu, I., Jiang, L., Samuelsson, E.R.et al.The landscape of tumor cell states and spatial organization in H3-K27M mutant diffuse midline glioma across age and location.Nat Genet(2022). https://doi.org/10.1038/s41588-022-01236-3