【Genome Biology】北京大学汤富酬、付卫课题组重磅发文！

近日，北京大学生物医学前沿创新中心汤富酬教授和北京大学第三医院普通外科付卫教授在《Genome Biology》杂志发表题为“Systematic evaluation of colorectal cancer organoid system by single-cell RNA-Seq analysis”的研究成果。该研究系统评估了类器官模型在研究结直肠癌肿瘤发生分子机制上的可靠性和局限性。

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02673-3

研究背景

由于肿瘤的高度异质性，研究肿瘤发生的分子机制非常具有挑战性。癌细胞系已被广泛用作癌症分子研究和抗癌药物筛选的临床前模型系统。然而，由于缺乏细胞间相互作用和三维（3D）肿瘤结构，二维（2D）培养的癌细胞系不能忠实地代表和维持体内肿瘤的遗传多样性。最近开发的类器官系统可以克服其中的许多困难，并作为评估高通量药物反应筛选和肿瘤发生，侵袭性和转移机制研究的合适临床前模型。

研究进展

为了全面评估类器官培养系统，我们对体内肿瘤和邻近正常组织的6225个单细胞以及相应的患者来源的类器官样品进行了高精度单细胞RNA-Seq调查，这些样品在7名结直肠癌患者的两种主流培养基中培养，以研究其基因表达特征。我们还应用全外显子组测序（WES），全基因组测序（WGS），全基因组亚硫酸氢盐测序（PBAT）和Sanger测序来表征它们的基因组和表观基因组特征。我们发现，总体而言，体外肿瘤来源的类器官忠实地维持了体内肿瘤细胞的基因表达特征、基因调控网络、DNA甲基化水平和基因组突变，如拷贝数变异（CNV）和点突变（SNV）。然而，相邻的正常组织来源的类器官尽管保留了正常的基因组，但极大地改变了它们的基因表达谱，并在体外获得了一些肿瘤样基因表达特征。

单细胞RNA-Seq谱和细胞类型鉴定的全局模式

使用前面描述的类器官培养系统，我们成功地建立了一个类器官培养小组，这些类器官培养物来源于多种类型CRC患者的手术切除标本。然后，我们对这些培养的类器官的几种上皮细胞制造商（EPCAM，CDX1和VIL1）进行了免疫荧光染色。结果表明，我们培养的类器官如预期的那样表达了众所周知的肠上皮细胞标志物。

为了探索细胞多样性，我们对来自培养中的肿瘤和邻近正常组织的七对类器官以及来自同一患者的相应肿瘤和体内相邻正常组织进行了高精度单细胞RNA-Seq。也就是说，我们将每个患者的肿瘤和邻近正常组织解离成单细胞悬液，然后直接使用其中一半进行单细胞RNA-Seq分析。对于样品的其余一半，我们培养它们以获得类器官。成功建立类器官后，我们分离了类器官细胞并进行单细胞RNA-Seq分析。通过这种方式，我们获得了每个患者肿瘤和体内相邻正常组织的单细胞转录组数据，以及来自同一患者的肿瘤和相邻正常组织的类器官。质量控制后，保留4445个细胞的高精度单细胞转录组用于进一步分析。根据它们的全局基因表达模式，我们将这些细胞分为三个簇，分别注释为上皮细胞、免疫细胞和间充质细胞。

我们发现体内相邻正常组织和正常组织来源的类器官主要由上皮细胞组成。免疫细胞在体内肿瘤组织中强烈富集，但在肿瘤衍生的类器官中几乎没有像预期的那样检测到。值得注意的是，化学定义培养基也可能促进体外间充质细胞的生长，因为它们占化学定义培养基中培养细胞的13.5%。

此外，我们进一步分析了上皮亚型，总共确定了7种亚型。在全球范围内，我们发现与正常组织或源自正常组织的类器官相比，肿瘤组织或肿瘤来源的类器官具有更多百分比的干细胞样细胞。此外，体外培养增加了正常来源的类器官中干细胞样细胞的比例。研究表明类器官主要由上皮细胞组成，这意味着体外培养倾向于富集上皮细胞。

研究结论

综上所述，我们对体内组织和在两种不同培养基中培养的相应类器官的单细胞RNA测序调查，结合基因组和DNA甲基组测序数据，系统地评估了类器官培养系统对分析结直肠癌肿瘤发生的分子特征的忠实性。我们发现，条件培养基在长期培养以及维持癌细胞和正常上皮细胞的基因组、表观基因组和转录组特征方面优于化学定义的培养基。我们还表明，培养物中的肿瘤来源类器官可以忠实地反映体内肿瘤细胞的基因表达模式、基因调控网络、点突变、CNV 和 DNA 甲基化模式。另一方面，正常组织来源的类器官维持体内正常上皮细胞的正常基因组特征，但在转录组水平上表现出一些肿瘤样特征。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02673-3

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。