2022-08-21

Nature | 良性和恶性组织高分辨率的克隆拷贝数改变地图

原创 榴莲不酥 图灵基因 2022-08-21 21:25 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：榴莲不酥

IF=69.504

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亮点：

通过推断良性和恶性组织中器官的区域空间拷贝数变化，证明了全基因组拷贝数变异，揭示了肿瘤内和附近良性组织中的不同克隆模式。

2022年8月10日，在Nature上刊登了一篇名为“Spatially resolved clonal copy number alterations in benign and malignant tissue”的文章，通过使用激光捕获显微切割来检索组织学定义或生物标志物定义的组织区域甚至单个细胞，揭示了肿瘤内和附近良性组织中的不同克隆模式。

明确良性组织向恶性组织的转变是提高癌症早期诊断的基础。在这里，研究团队使用一个系统的方法来研究空间基因组完整性的原位和描述以前未确定的克隆关系。使用空间分辨转录组学来推断良性和恶性组织中多个器官中>120000个区域的空间拷贝数变化，证明了全基因组拷贝数变异，并揭示了肿瘤内和附近良性组织中的不同克隆模式。通过模型说明基因组不稳定性如何在组织学良性组织中出现，这可能代表癌症进化的早期事件。在组织环境中捕获分子和空间连续体的力量，并挑战治疗范式的基本原理。

空间解析转录组学已成为全基因组分析基因表达的工具。在这项研究中，研究团队从空间分辨的mRNA原位图谱推断出全基因组拷贝数变异（CNV）。基因表达先前已被用于推断单细胞中的CNV，成功地识别出染色体获得和损失的区域。接下来使用整个前列腺器官的横截面来探索常见的多灶性恶性肿瘤的siCNV景观。通过分析相应的转录信息、转录数据，得到前列腺横截面的基因表达因子（GEF）的无监督视图。25个因子显示组织学和GEF之间的重叠，代表由因子标记基因注释的肿瘤、增生和良性上皮细胞。

接下来进行了siCNV分析，以提供总体情况。识别具有增加的CNV活性的某些区域，而大部分组织区域似乎是拷贝数中性的。这些初步结果表明，siCNV可以在器官尺度上识别组织区域，并推断出基因组变异性，这与形态学或表达分析不同。

为了提高对可变siCNV区域分析的保真度，研究团队利用较小的55μm直径的条形码点将细胞数量减少以了解siCNV活动的七个关键部分。使用siCNV检查了研究组织中的克隆进化模式，建立了GEF与某些感兴趣区域之间的关联以确定这些区域中克隆拷贝数异质性的程度。由于意识到某些被注释为组织学良性的区域显示出拷贝数异质性，研究团队将参考集改进为组织学良性且缺乏任何siCNV的点，这构成了所有后续siCNV分析的“纯良性”参考集，每个患者都是独一无二的。

图1：全器官转录本和CNV状态的空间测定

在癌症范围内推断的基因型中，有证据表明在空间同质的Gleason模式区域内存在克隆分布的拷贝数异质性。通过构建系统发育树来描述连续的克隆事件与独立产生的癌症克隆之间的关系。两个癌症克隆（克隆A和克隆B）缺乏关键的截断事件，包括染色体区域的丢失，否则这些区域在所有癌症克隆中普遍存在。

为了构建克隆树，研究团队假设（1）含有相同拷贝数谱的细胞群更有可能是相互关联的，而不是偶然产生的；（2）体细胞拷贝数事件是随着时间的推移而连续获得的。然而他们却观察到一个常见的祖先克隆（克隆H），包含截断事件。一种可能的解释是，克隆H代表了前列腺系统中分支形态的线性序列，进一步的体细胞事件发生，产生了克隆I、J和K，并形成了高级别的肿瘤焦点。因此，相关分析提供了对肿瘤克隆进化过程的深入了解，在空间背景下通过点位水平的CNV调用识别鉴别事件。

图2：所有癌症器官分析中的特定体细胞拷贝数改变

鉴于发现细胞表型和推断的基因型之间的不一致，随后对前列腺左外周区域部分每个点的拷贝数状态进行分析，并根据定义的簇分离水平通过层次聚类将这些点排序为“克隆”A到G。在空间上观察到这些数据驱动的克隆簇位于组中，与组织学亚型广泛相关，但有一些重要的区别。同时观察到许多CNV已经出现在良性组织中（克隆C），最显著的是在8号和10号染色体上。在空间上，该克隆构成了一个完全良性的腺泡细胞区域，该区域从附近克隆A和B中的大部分拷贝数中性细胞排列的导管分支出来。组织学良性细胞中体细胞事件的存在突出表明这些克隆群跨越了组织学边界。

为了验证这种推断的拷贝数状态是否真正代表了潜在的基因型，通过荧光原位杂交探针靶向两个具有区分意义的特定基因——MYC和PTEN。结果表明虽然两个基因在正常良性组织（克隆A）中的状态都是二倍体，但MYC扩增和PTEN丢失在改变的良性（克隆C）和肿瘤（克隆F）克隆中是明显的。表明即使在组织学良性疾病中也存在体细胞事件，在导管形态发生过程中产生了一系列分支克隆。

鉴于上述发现，研究团队认为对推断的低级癌症基因型的分析可能揭示与高级癌症的重要差异。低级别前列腺癌确实从根本上不同于高级别疾病并提出了这样的假设，即此类癌症不会因为缺乏必要的体细胞事件而变成更高级别。

图3：癌症和良性前列腺上皮的体细胞事件

正如预期的那样，siCNV分析提供了整个组织切片的拷贝数中性谱。进一步验证siCNV克隆与基因表达不同。研究团队接下来分析了含有良性鳞状上皮细胞和鳞状细胞癌的皮肤组织。值得注意的是两个关键事件（部分染色体1和12获得）与另一个完全由组织学良性组织组成的附近克隆共享。发现siCNV分析正确预测了91%的空间克隆区域的CNV状态，证实了siCNV克隆跨越组织学边界以寻找其他肿瘤类型。为了对比这些观察结果，用性别和年龄匹配的样本对小儿髓母细胞瘤进行了分析。结果显示在整个肿瘤中具有均匀同质的空间克隆类型和关键的预期遗传改变。

五种研究组织类型的组织克隆多样性显著变化，肿瘤和良性组织中的基因组从同质到高度异质。因此，研究团队认为应相信将 siCNV 信息与空间基因表达模式相结合，这种有针对性的方法可以包括更智能的局部治疗原理，或者对于全身治疗，可以促进通过“液体活检”识别这种克隆模式。

图4：肿瘤和良性组织学中的体细胞拷贝数改变

因此，本研究为基因组完整性提供了一个新的途径，增加了癌症分子病理学的武器库，为改进临床重要癌症的早期检测、靶向局灶性和全身性治疗以及改善前列腺癌等普遍存在的恶性肿瘤的患者预后提供了基础。总体而言，该研究提出了有关癌症进化、体细胞嵌合和组织分化的重要生物学问题。

教授介绍

Joakim Lundeberg教授是KTH皇家理工学院基因技术系的负责人，他的研究重点是技术开发。他的研究小组位于分子生物科学中心生命科学实验室（SciLifeLab）。他领导了国家基因组学基础设施（NGI），为瑞典研究人员提供最先进的仪器。Lundeberg目前的研究重点是开发和探索空间分辨基因表达工具及其应用。基本概念是首先将薄组织切片放在条形码微阵列上，然后对组织进行染色并提取 RNA，同时保持组织内的位置信息。目前许多项目专注于构建大型跨学科分子图谱，包括人类发展，正在将空间转录组学数据与其他技术平台整合。

参考文献

Erickson A, He M, Berglund E, et al. Spatially resolved clonal copy number alterations in benign and malignant tissue. Nature. 2022 Aug;608(7922):360-367. doi: 10.1038/s41586-022-05023-2. Epub 2022 Aug 10. PMID: 35948708; PMCID: PMC9365699.