Nat Genet | 单细胞表观遗传组学研究肿瘤细胞异质性和可塑性
原创 楠烟不可言 图灵基因 今天
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撰文：楠烟不可言
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本文分析了近期两项表征了神经胶质瘤的单细胞 DNA 甲基化组的研究，展示了相同细胞或细胞群中的表达和遗传分析。这些研究揭示了神经胶质瘤异质性和细胞可塑性的表观基因组基础，提供了对细胞进行状态转换和应对环境或治疗压力的机制的深入了解。
近日由加尼福利亚大学Radhika Mathur研究组以及Joseph F. Costello研究组在《Nature Reviews Genetics》杂志上分别发表了名为“Single-cell multimodal glioma analyses identify epigenetic regulators of cellular plasticity and environmental stress response”，以及“Epigenetic encoding, heritability and plasticity of glioma transcriptional cell states”的研究文章。脑肿瘤的异质性已经通过从显微镜和实验模型到组织和单细胞水平的“组学”分析等多种视角进行了观察。人类胶质瘤中的一些稀有细胞表现出自我更新和传播肿瘤的能力。这种“神经胶质瘤干细胞”一直被视为治疗靶点，但收效甚微。最近的两项研究表征了单细胞中DNA 甲基化和基因表达的模式，揭示了细胞异质性和可塑性的表观基因组基础，包括对干细胞样状态和分化样状态之间的细胞转变的机制。
DNA 甲基化是一种可在有丝分裂过程中遗传的共价 DNA 修饰，在基因表达中发挥多方面的作用，并编码有关细胞类型和细胞状态的大量信息。 IDH 突变的神经胶质瘤表现出独特的甲基化增加模式，因为突变的 IDH 酶会产生一种癌代谢物，抑制另一种参与DNA 去甲基化的酶。DNA 甲基化在脑肿瘤分类中的临床应用越来越多，并且已经针对IDH 突变型和 IDH 野生型神经胶质瘤提出了进一步的基于甲基化的亚分类。Chaligne等人的研究结果揭示，来自这两个类别的个体神经胶质瘤的恶性细胞是异质的，并且涵盖将用于对它们进行分类的所有甲基化谱。单细胞甲基化组数据进一步表明， IDH 野生型亚类之一的 DNA 甲基化特征不是来自恶性细胞，而是来自肿瘤微环境中的神经胶质细胞和免疫细胞。这些发现与单细胞 RNA 测序的结果一致，其中发现从大量组织 RNA测序定义的多种转录亚型共存于单个神经胶质瘤中，一种亚型被混合的非恶性细胞混淆。总的来说，这些结果强调了单细胞水平分析在阐明细胞异质性来源方面的价值（图1）。
此外，Chaligne等人利用联合捕获技术来分析来自相同细胞的甲基化组和转录组，从而对甲基化和动态细胞状态之间的关系提供新的见解。尽管启动子甲基化通常与基因沉默有关，但他们发现，尽管启动子甲基化，但仍有几个癌症基因在 IDH 突变的神经胶质瘤中高度表达。IDH 突变胶质瘤中的甲基化也发生在 CTCF 结合位点，导致相邻染色质域之间的绝缘丧失以及增强子和启动子之间的异常相互作用。后续研究在单细胞水平上验证了这一原理，表明当它们之间的 CTCF 结合位点被甲基化时，成对的基因在表达方面表现出更高的相关性。这些发现强调了 CTCF 结合位点的随机甲基化是转录变异的一个基础，这可能是 IDH 突变胶质瘤中克隆选择的基础。在 IDH 野生型神经胶质瘤中，他们发现 Polycomb 复合物的调节靶点——通过组蛋白修饰抑制基因表达的蛋白质——在干细胞样细胞中特异性低甲基化。这一发现暗示这两种表观遗传沉默机制之间的串扰是IDH 野生型神经胶质瘤细胞状态转变的潜在驱动因素（图2）。
尽管 DNA 甲基化在相邻的 CpG 位点之间通常是一致的，但在癌症中经常观察到不一致。由于这些变化是可遗传的，它们可以作为分子钟来推断肿瘤内单个细胞的谱系历史。通过将转录状态投射到推断谱系树的进化枝上，Chaligne 等人证明了 IDH 野生型神经胶质瘤相对于 IDH 突变型神经胶质瘤中更稳定的分化层次结构的可塑性。数学模型支持在 IDH 野生型神经胶质瘤中存在较高的去分化率，导致干细胞样细胞的行列补充。因此，治疗靶向神经胶质瘤干细胞的范例在 IDH 突变体与 IDH 野生型神经胶质瘤中具有不同的相关性，因为前者的可塑性需要靶向全部恶性细胞和/或细胞去分化的能力。
Johnson 等人独立分析了胶质瘤中的单细胞 DNA 甲基化组，并假设 DNA 甲基化的随机变化可能使细胞适应压力微环境和治疗引起的瓶颈。他们发现与细胞分化和应激信号相关的基因调控元件中存在高度不一致的 DNA 甲基化。此外，研究进行了体外实验，其中他们将患者来源的神经胶质瘤细胞暴露于缺氧和辐射等压力因素。暴露于压力源的神经胶质瘤细胞显示出 DNA 甲基化的不一致增加和细胞状态的潜在适应性变化。 IDH野生型神经胶质瘤显示出比 IDH 突变型神经胶质瘤更高的不一致，这种影响在经常缺氧的肿瘤核心中很明显。众所周知，缺氧会降低依赖氧的 DNA 去甲基化酶的活性，导致甲基化增加（图3）。
总而言之，这两项研究表征了单细胞中 DNA 甲基化和基因表达的模式，以精细地揭示细胞异质性和可塑性的表观基因组基础，包括对干细胞样状态和分化样状态之间的细胞转变的机制洞察。此外研究提出了新的问题，也提出了需要克服的局限性。表观基因组通过发育被积极重塑，是可塑性的逻辑来源，使胶质瘤细胞能够适应多种细胞状态并在它们之间转换。尽管研究表明表观遗传机制可能导致观察到的分化和去分化，但状态转移本身是推断出来的，仍然需要探究直接观察处于过渡期的细胞需要阐明触发状态转移的因素。另一个考虑因素是甲基化变化的幅度通常不大，这就提出了一个永恒的问题：甲基化是关键转录变化的原因还是结果。
教授介绍
Joseph F. Costello，加州大学旧金山分校的神经外科教授，主要研究领域是了解人类脑肿瘤的完整进化史，从第一次突变和表观突变到克隆选择和肿瘤复发。我们使用新一代测序来发现基因突变、表观遗传改变和基因表达的模式和相互依赖性。
参考文献
1、Radhika Mathur, Joseph F. Costello. Epigenomic contributions to tumorcell heterogeneity and plasticity (2021). https://www.nature.com/articles/s41588-021-00932-w
2、Kevin C. Johnson, Kevin J. Anderson, Elise T. Courtois et al. Single-cellmultimodal glioma analyses identify epigenetic regulators of cellularplasticity and environmental stress responsehttps://www.nature.com/articles/s41588-021-00926-8
3、Ronan Chaligne, Federico Gaiti, Dana Silverbush et al. Epigeneticencoding, heritability and plasticity of glioma transcriptional cell stateshttps://www.nature.com/articles/s41588-021-00927-7
