NatComm单细胞转录组追踪白血

撰文：楠烟不可言

IF=12.

推荐度：????

亮点

本文证明了可以通过单细胞转录组学结合细胞核及线粒体体细胞变异谱系示踪的技术来鉴定白血病干细胞（LSC），健康造血干细胞（HSC）和白血病前干细胞，并进行分子谱分析。虽然可以依靠突变状态区分健康细胞和癌细胞，但区分干细胞和祖细胞群需要依靠对基因表达的分析。该研究能够鉴定LSC特异性基因表达程序，并鉴定由白血病突变诱导的突变区域，并证明了单细胞多组学方法在表征癌症干细胞方面的功能。

近日由斯坦福大学LarsM.Steinmetz研究组在《NatureCommunication》杂志上发表了一篇名为“Identificationofleukemicandpre-leukemicstemcellsbyclonaltrackingfromsingle-celltranscriptomics”的研究文章。干细胞在癌症中能够发挥驱动疾病进展和复发的作用，但全面表征这类细胞仍是一个巨大的挑战，急性髓细胞性白血病（AML）中，白血病干细胞（LSC）与患者死亡密切相关，但由于其丰度低且与健康的造血干细胞（HSC）具有高度相似性而难以分离。在这篇文章中，研究人员证明了可以通过单细胞转录组学结合细胞核及线粒体体细胞变异谱系示踪的技术来鉴定白血病干细胞（LSC），健康造血干细胞（HSC）和白血病前干细胞，并进行分子谱分析。虽然可以依靠突变状态区分健康细胞和癌细胞，但区分干细胞和祖细胞群需要依靠对基因表达的分析。此外，这项研究能够鉴定LSC特异性基因表达程序，并鉴定由白血病突变诱导的突变区域，并证明了单细胞多组学方法在表征癌症干细胞方面的功能。

癌症干细胞（CSC）能促进癌症生长并推动复发，癌症具有细胞快速分裂的特征，这些细胞具有自我更新的能力，但大部分细胞的复制能力是有限的。由于具有干细胞样特性，CSC成为了复发的重要驱动力，但由于其低分裂率的特征，难以进行靶向治疗。因此，迫切需要能够可靠地识别和表征CSC的工具。急性髓细胞性白血病（AML）是研究癌症干细胞的典型疾病。以前，LSC特异性基因表达模式的特征是分离出健康造血系统中使用的干细胞特异性表面标志物阳性的细胞，最近，相关研究证明异种移植模型中的白血病植入率与基因表达相关，这些方法都可以用于分析不纯的细胞群体。在这里，研究人员通过同时测量单个细胞中的突变状态和基因表达，可以将癌症干细胞与成熟癌细胞（基于基因表达）和健康干细胞（基于突变状态）区别开来（图1）。

为了测试MutaSeq是否能够区分白血病，白血病前体和健康个体，研究对四名具有异质基因型和表型的AML患者进行了分析，最终每位患者产生由至个细胞组成的数据库，其中至个细胞是CD34+。在所有患者中，研究确定了带有已知白血病前突变的集群（例如SRSF2，DNMT3A中的集群）和带有已知白血病突变的亚群（例如CEBPA，NPM1）（图2）。

接下来，研究人员使用单细胞转录组数据来区分干细胞，祖细胞和白血病母细胞。为了定义样本中的细胞群，将来自所有四名患者的基因表达数据以及来自健康个体22的CD34+骨髓细胞的数据整合为二维图像，并根据标志物基因表达来表征细胞类型（图3a）。所有四个骨髓样本均包含与健康个体的HSC和多能祖细胞（HSC/MPP）聚集的细胞群（图3b-d），并显示CD34+CD38low，FSC/SSClow表型（图3e）。研究结果表明，这些转录因子似乎在表型差异很大的所有原始种群中都具有相关性。所有四个白血病样本都可以被区分为干细胞，祖细胞和胚细胞。此外，所有患者保留的细胞与健康HSC高度相似，但数量具有差异。

仅基因表达信息不足以区分癌性和非癌性HSPC，为了将细胞明确地表征为（pre）LSC或残留的健康细胞，研究人员整合了单细胞基因表达数据和谱系示踪的结果。与白血病突变相关的集群在胚胎细胞谱系中最普遍，在HSPC谱系中也被检测到，但在淋巴样细胞（B，NK，T细胞）谱系中几乎不存在。相比之下，在所有谱系中都发现了与白血病前突变相关的克隆，但在淋巴谱系中的大多数显示出较低的致病性（图4）。

接下来，研究人员详细研究了特定突变的分子效应。以前，通常在小鼠模型中研究特定白血病突变的结果，但MutaSeq数据使研究人员能够比较仅在单个突变中有所不同的克隆之间的基因表达，从而阐明该突变对人类造血作用的特定作用。最后，研究人员比较了所有（白血病前）和非白血病细胞之间的基因表达，目的是鉴定所有（白血病前）白血病细胞中存在的潜在标志物或药物靶标，但没有发现剩余健康细胞中的潜在标志物或药物靶标。这些结果证明了MutaSeq和mitoClone能够描述由白血病和白血病前突变引起的克隆进化的发展和分子效应（图5）。

总而言之，描述了一种联合单细胞转录组学和谱系示踪（MutaSeq和mitoClone），用于表征LSC，绘制其分化能力和致癌突变的分子结果。尽管单细胞基因表达谱分析可以鉴定出具有干细胞特征的细胞，但使用基因组和线粒体突变进行谱系示踪可以清晰分离健康细胞集群和癌性细胞集群。本文已经在急性髓细胞性白血病的背景下证明了这种方法，同时这一方法显示出应用于其他类型的癌症的强大潜力。

教授介绍

LarsM.Steinmetz，在耶鲁大学学习分子生物物理学和生物化学，并获得博士学位。他在斯坦福大学研究全基因组方法研究基因功能和自然表型多样性。他在德国海德堡的欧洲分子生物学实验室（EMBL）成立了自己的研究小组，专注于应用功能基因组学方法和高通量方法来研究系统水平的复杂性状，转录和线粒体细胞器。

参考文献

1、LarsVelten,BenjaminA.Story,PabloHernández-Malmiercaetal.Identificationofleukemicandpre-leukemicstemcellsbyclonaltrackingfromsingle-celltranscriptomics().