北京時(shí)間9月4日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）王開樂研究組和MD安德森癌癥中心Nicholas Navin團(tuán)隊(duì)合作的最新研究成果：“Coalescing single cell genomes and transcriptomes to decode breast cancer progression”。該研究通過開發(fā)高通量單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合測(cè)序方法wellDR-seq，實(shí)現(xiàn)了對(duì)12例乳腺癌中超過3萬個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行雙組學(xué)解析。這一突破性研究不僅直接鑒定并表征了ER陽性乳腺癌的腫瘤起始祖先亞克隆，更首次在單細(xì)胞水平定量描述了基因拷貝數(shù)（DNA）變化與基因表達(dá)（RNA）變化之間的復(fù)雜劑量調(diào)控關(guān)系，為乳腺癌的早期診斷、預(yù)后判斷和精準(zhǔn)治療提供了全新的理論依據(jù)和技術(shù)路線。

乳腺癌是全球女性中最常見的惡性腫瘤之一，其巨大的臨床異質(zhì)性使得診斷和治療面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。乳腺癌有多種亞型，而人的正常乳腺有三種上皮細(xì)胞（激素響應(yīng)型腔面細(xì)胞：LumHR、分泌型腔面細(xì)胞：LumSec和基底-肌上皮細(xì)胞：MyoEpi）。不同亞型的乳腺癌分別是由哪種正常上皮細(xì)胞演化而來一直沒有直接證據(jù)。正確鑒定不同乳腺癌的起源、以及導(dǎo)致后續(xù)乳腺癌增殖和演化的基因，是攻克乳腺癌的關(guān)鍵。然而，由于祖先克隆群體存在比例低，突變少，只有通過高通量、高基因組分辨率的單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組共測(cè)序技術(shù)，才能鑒定該群體，并同時(shí)獲得該群體的表型，這在技術(shù)上一直是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究組開發(fā)了高通量、高基因組分辨率的單細(xì)胞DNA與RNA聯(lián)合測(cè)序方法——wellDR-seq。該方法通過對(duì)DNA和RNA的生化反應(yīng)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，并結(jié)合雙重索引標(biāo)記技術(shù)和納升小孔芯片技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)數(shù)千個(gè)單細(xì)胞的基因組和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行聯(lián)合測(cè)序解析。研究組通過對(duì)MDA-MB-231細(xì)胞系的雙組學(xué)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)僅通過scRNA-seq數(shù)據(jù)推斷的拷貝數(shù)信息并不可靠。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的僅依靠單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析DNA克隆結(jié)構(gòu)的局限，更強(qiáng)調(diào)了直接對(duì)DNA和RNA進(jìn)行聯(lián)合測(cè)序在揭示腫瘤真實(shí)演化路徑中的不可替代性。

在這項(xiàng)研究中，研究組在4名ER陽性患者中成功識(shí)別了腫瘤的祖先亞克隆。這些祖先亞克隆攜帶著少量拷貝數(shù)變異（CNAs），隨后在腫瘤進(jìn)展過程中獲取更多CNAs并大規(guī)模擴(kuò)增，最終形成了主要的腫瘤細(xì)胞群體。通過wellDR-seq，研究人員發(fā)現(xiàn)所有這些祖先細(xì)胞都源自LumHR細(xì)胞譜系，這表明LumHR細(xì)胞是ER陽性乳腺癌的起源細(xì)胞。研究人員還發(fā)現(xiàn)在非癌性細(xì)胞中也存在偶發(fā)的CNAs。這些CNAs不僅存在于上皮細(xì)胞中，也存在于基質(zhì)細(xì)胞中。在上皮細(xì)胞中，這些突變細(xì)胞主要存在于兩中腔面型（LumSec和LumHR）細(xì)胞中，而未在MyoEpi中發(fā)現(xiàn)，且這些突變主要發(fā)生在常染色體上。而存在于基質(zhì)細(xì)胞中的突變主要發(fā)生在X染色體上。這一發(fā)現(xiàn)提示，腔面型上皮更容易導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，為腫瘤發(fā)生的早期預(yù)警提供了新的思路。

此外，本研究首次在單細(xì)胞層面系統(tǒng)性地量化了基因拷貝數(shù)變化對(duì)基因表達(dá)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在染色體片段水平，56%的CNAs與基因表達(dá)變化正相關(guān)。在這56%的CNAs中，基因表達(dá)量的增加與拷貝數(shù)的增加的相關(guān)性是接近線性的。出人意料的是，作者通過比較腫瘤亞克隆間的差異表達(dá)基因，發(fā)現(xiàn)這些基因絕大多數(shù)（69%）都定位于拷貝數(shù)沒有變化的區(qū)域，而非拷貝數(shù)變化的區(qū)域。另外，作者還發(fā)現(xiàn)在單個(gè)基因?qū)用嫔?，拷貝?shù)變化和基因表達(dá)變化也存在很大差異。研究將基因分為兩類：“劑量敏感性”基因：如PGR、AURKA和RB1。這些基因的表達(dá)水平與拷貝數(shù)變化顯著相關(guān)，其表達(dá)量會(huì)隨著基因拷貝數(shù)的增減而同步變化。“劑量不敏感性”基因：如PIK3CA、BRCA1和TP53。這些基因的表達(dá)水平與拷貝數(shù)變化無關(guān)。即使基因拷貝數(shù)發(fā)生變異，其表達(dá)水平仍保持穩(wěn)定。這一發(fā)現(xiàn)為理解腫瘤的遺傳學(xué)和功能學(xué)提供了新的視角，解釋了為何某些基因突變或拷貝數(shù)變異會(huì)強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)腫瘤的進(jìn)展，而另一些則不然。

該研究不僅開發(fā)了高通量的單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組共測(cè)序技術(shù)，而且系統(tǒng)解析了乳腺癌的起源并定量表征了基因劑量效應(yīng)。wellDR-seq是一種通用技術(shù)，可被廣泛應(yīng)用于研究不同腫瘤的起源和演化、研究基因型與表型的互作。除癌癥研究外，wellDR-seq 在生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都將具有廣泛的應(yīng)用，包括產(chǎn)前基因檢測(cè)、DNA復(fù)制、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、正常組織嵌合體、衰老以及微生物學(xué)等。

分子細(xì)胞卓越中心王開樂研究員和MD安德森癌癥中心的葉睿博士為該論文的共同第一作者，王開樂研究員和Nicholas Navin教授為共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到分子細(xì)胞卓越中心細(xì)胞高性能計(jì)算平臺(tái)的幫助和支持。

文章鏈接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00926-2

wellDR-seq技術(shù)實(shí)現(xiàn)乳腺癌樣本的高通量單細(xì)胞全基因組與轉(zhuǎn)錄組的聯(lián)合分析