单细胞转录组5—在神经母细胞瘤中的研究

导读

神经母细胞瘤是一种儿童癌症类似于神经嵴的发育阶段。神经母细胞瘤发育过程尚不明确，本文作者试图通过比较癌组织和正常胎儿肾上腺单细胞转录组，揭示神经母细胞瘤癌细胞的表型。作者主要发现神经母细胞瘤癌细胞类似与胎儿的交感母细胞，但没有其他类型的胎儿肾上腺细胞。交感细胞状态是神经母细胞瘤细胞的普遍特征，超越了细胞簇多样性、个体患者和临床表型。通过整合神经母细胞瘤基因组与转录信号的典型特征和的650个神经母细胞瘤bulk转录组证明了作者的发现。总的来说作者的发现表明存在一种泛神经母细胞瘤癌细胞状态，这可能提供新的免疫治疗和靶向途径。

英文题目：Tumor to normal single-cell mRNA comparisons reveal a pan-neuroblastoma cancer cell 

中文题目：癌组织与正常组织单细胞转录组比较揭示一种泛神经母细胞瘤癌细胞

期刊：SCIENCE ADVANCES

IF：14.136

发表时间：2021.2

作者：Gerda Kildisiute

单位：英国惠康桑格研究所

研究

背景

神经母细胞瘤是一种儿童癌症，表现多种多样的疾病模式，从自发分解肿瘤到高度侵袭性癌症。神经母细胞瘤起源于神经嵴的异常分化，主要通过交感神经谱系发生在胎儿肾上腺髓质内。不同阶段的肾上腺髓质细胞分化被认为是神经母细胞瘤的细胞来源，并被认为是临床表型多样性的基础。单细胞转录组学的发展使癌症和正常细胞的直接比较成为可能。

材料

方法

试验材料：7个早期和中期人胎儿肾上腺和21个神经母细胞瘤

试验方法：10X单细胞转录组

研究

结果

1、建立人胎儿骨髓细胞参考库

首先，我们通过定量定义支撑人类肾上腺发育的细胞转录组，建立了一个用于分析的正常细胞参考数据库。作者对7个取自早期和中期人胎儿肾上腺进行了单细胞转录组测序（图1A）。使用标准的人类肾上腺标志物，细胞分为皮质细胞、髓质细胞、间充质细胞和白细胞（图1B）。

近期小鼠胎儿肾上腺单细胞分析包括4种髓细胞：雪旺细胞前体（SCP）、桥细胞、嗜染色质细胞和交感细胞。据此作者确定了四种人类相关的髓质细胞类型（图1C和D）。比较了四种不同类型肾上腺髓质细胞，尽管妊娠期可能存在细微的转录差异，但是总体的转录“同一性”差异并不显著（图1E）。

图1 7个人胎儿肾上腺单细胞参考数据

2、神经母细胞瘤中癌细胞的鉴定

作者试图建立神经母细胞瘤细胞与人胎儿骨髓发育的关系。使用两种平台对21个新鲜的神经母细胞瘤标本进行了单细胞转录组测序。本研究队列神经母细胞瘤分三个预后类别：低风险（n=3）、中风险（n=5）和高风险（n=13）。总的来说作者获得了19723个细胞，每个肿瘤细胞的贡献各不相同（图2A和B），他们分为四种主要的细胞类型：白细胞（n=10593）、间充质细胞（n=4227）、雪旺氏细胞（n=665）和表现为肾上腺髓样特征的假定肿瘤细胞（n=3396）。通过确定每个细胞mRNA序列来确定每个肿瘤细胞的体细胞拷贝数变异的证据，从而使用体细胞拷贝数变异来是识别癌细胞。该分析显示本队列中只有肾上腺髓样细胞是癌细胞，而间质细胞和雪旺氏细胞不是（图2C和D）。

图2 神经母细胞瘤单细胞转录组

3、癌细胞与正常细胞在单细胞分辨率上的比较

接下来，作者使用两种独立的方法比较了正常细胞与癌症细胞，研究癌细胞在肾上腺髓质发育的阶段。作者发现神经母细胞瘤癌细胞并没有再现肾上腺的发育，但假定为交感细胞的状态（图2E-G）。尽管癌细胞在患者内和患者间形成不同的clusters（图2A和B），癌症与正常细胞的比较将这种多样性分解为共同的交感细胞样表型，所有患者均存在交感细胞状态（图2H和I）。

为了验证神经母细胞瘤癌细胞主要类似于成交感神经细胞，作者研究了神经母细胞瘤的bulk转录组。作者对这些表达数据进行了研究，以确定正常人类胎儿髓质的四种群体：SCPs、桥接细胞、成交感神经细胞和嗜染色质细胞。在整个队列中发现了成交感神经细胞明确的信号（图3A），从而验证了神经母细胞瘤成交感神经细胞状态。产生与肾上腺外的神经母细胞瘤也表现为成交感神经细胞信号（图3B）。成交感神经细胞信号在主要的风险组中均存在，这表明这表明它超越了神经母细胞瘤的临床多样性（图3C）。

图3 临床注释的神经母细胞瘤队列验证

4、神经母细胞瘤基因组的特征证实了交感细胞状态

为了进一步证实神经母细胞瘤细胞类似于交感细胞的转录证据，作者将神经母细胞瘤癌症基因组的特征与转录发育途径叠加。作者发现这些基因大多数在交感细胞中高表达（图3D），尤其是两种最常见的神经母细胞瘤易感基因ALK和PHOX2B以及肿瘤基因MYCN，其体细胞扩增是临床用于神经母细胞瘤风险分层的关键不良marker基因。编码二糖醛酸苷合酶GD2的基因是一种几乎无处不在的神经母细胞瘤标记物，是抗体治疗的靶标主要表达于交感细胞（图3D）。作者发现了交感细胞特异性基因表达区域与染色体11q丢失最常见的边界和染色体1p丢失最经常发生的区域有统计学意义的重叠，从而进一步证实了神经母细胞瘤的交感细胞状态。

5、低高风险肿瘤区别

Bulk转录组中髓细胞信号的测定表明，与低风险肿瘤相比交感细胞信号在两组高危中均不显著（图3C）。作者重新分析了单个癌细胞中的交感细胞信号，这次将神经母细胞瘤细胞细分为来自低危肿瘤还是高危肿瘤。作者发现一些高危细胞而非低风险细胞，表现出明显的交感细胞信号下降（图3E）。总之，这些发现表明可能存在一种亚型的高风险细胞，其特征是较弱的交感细胞信号。

6、胎儿转录本在神经母细胞瘤中的应用

神经母细胞瘤细胞使用胎儿髓质细胞转录组，这可能是这些基因的表达相对局限于胎儿时期的原因，因此可能是强大的治疗靶点。这一概念的先例是双侧神经节苷脂GD2，其广泛表达于神经母细胞瘤细胞和一些包括交感细胞的胎儿谱系中（图4A）。总的来说，这些分析揭示了一些胎儿癌基因可能成为神经母细胞瘤的靶点。

图4 胎儿神经母细胞瘤基因和预后显著的神经母细胞瘤mRNA

7、神经母细胞瘤与正常胎儿髓细胞的区别

建立了神经母细胞瘤癌细胞和胎儿骨髓发育之间的相似性后寻找差异。癌细胞与其配对的胎儿髓细胞对照存在91个差异基因。即使在控制了临床风险、年龄和MYCN扩增的关键决定因素后，这些基因的表达在临床风险组中也存在显著差异（图4B）。

讨论

本研究结果发现神经母细胞瘤癌细胞代表了异常的胎儿交感细胞。作者通过直接评估癌症区域的SNP比率来确定肿瘤细胞的拷贝数变化，而不是从基因表达水平推断拷贝数。研究结果表明，在神经母细胞瘤的整个谱系中，交感细胞状态占主导地位。神经母细胞瘤癌细胞和交感细胞之间的转录相似性可能表明神经母细胞瘤直接来源于交感细胞。然而，也可以想象成神经母细胞瘤起源于神经嵴谱系的其他细胞状态，在恶性转化时假定成交感细胞的转录状态。

总的来说，作者的发现揭示了神经母细胞瘤细胞特性的一种意想不到的同质性。虽然未来更大规模的分析可能会定义这种信号的细微差别，并可能识别罕见的癌细胞类型，本研究将提示神经母细胞瘤的主要正常细胞是人类胎儿的交感细胞。

文献下载：

https://international.biocloud.net/zh/article/detail/33547074

（复制链接到浏览器获取原文，如果没有云平台账号需要先注册）

推荐阅读

文：tangl

排版：市场部

百迈客生物基于高通量测序技术、生物信息分析技术和生物云计算技术，为广大科研工作者提供以综合技术服务、生物云分析、三代高通量测序以及试剂、仪器等科研周边业务。

公司拥有Nanopore、PacBio、Illumina、Waters、10XGenomics等主流服务平台，以及基于云架构的生物云计算平台—百迈客云，提供涵盖人重外显子、三维基因组、单细胞与空间转录组、基因组组装、转录调控、微生物、群体遗传、质谱及表观遗传等研究方向的技术服务。目前百迈客云平台拥有200多款基因分析工具，分析结果可直接用于文章发表，更有近百部科研相关视频和8大基因数据库助力科研工作者深度数据挖掘。

自公司成立起先后在《Cell》、《Nature》、《Nature Genetics》、《Nature Communications》、《Plant Cell》等学术刊物发表论文数千篇，拥有国家发明专利技术40余项，软件著作权近200余项。

我们一直秉承”生物科技创新，服务社会，造福人民”的企业使命，致力于打造“生物科技创新中心”的发展愿景，让生物科技更快，更好的提高人类生活质量。