2018年11月30日，國際頂極學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（SCIENCE, IF=41.058）正式發(fā)表了北京大學(xué)第三醫院付衛團隊、喬杰團隊和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬團隊合作研究成果“Single-cell Multi-omics Sequencing and Analyses of HumanColorectal Cancer”（人類(lèi)結直腸癌的單細胞多組學(xué)測序研究）。
該研究在國際上首次從單細胞分辨率、多組學(xué)水平深入解析了人類(lèi)結直腸癌在發(fā)生和轉移過(guò)程中，基因組拷貝數變異、DNA甲基化異常及基因表達改變的特點(diǎn)及相互關(guān)系，為結直腸癌的轉移機制研究指出了新的方向，為轉移性結直腸癌的臨床治療提供了新的理論依據。
目前在結直腸癌的治療中最大的挑戰是腫瘤對藥物的耐藥性，而耐藥性產(chǎn)生的根本原因是腫瘤的內部異質(zhì)性，即在腫瘤進(jìn)展過(guò)程中出現了新的基因突變、表觀(guān)遺傳學(xué)改變以及基因表達的改變，導致同一腫瘤中存在多種不同的腫瘤細胞類(lèi)型，產(chǎn)生對不同藥物的抵抗性。傳統整塊組織測序得到的信息是包括了多種腫瘤細胞、間質(zhì)細胞以及免疫細胞在內的成千上萬(wàn)個(gè)細胞信息的整合，并不能得到特定類(lèi)型腫瘤細胞的精確信息，以致無(wú)法深入解析腫瘤內部異質(zhì)性。近年來(lái)高速發(fā)展的單細胞測序技術(shù)雖然補充了整塊組織測序的這一缺陷，但是大多單細胞測序工作僅針對單一組學(xué)進(jìn)行研究，無(wú)法從多組學(xué)層面解析腫瘤細胞的遺傳學(xué)改變，不能揭示腫瘤進(jìn)展過(guò)程中同一細胞內不同組學(xué)間的相互聯(lián)系。
圖1 課題研究思路
付衛教授團隊長(cháng)期致力于胃腸道腫瘤的臨床治療和應用基礎研究。臨床治療方面，聚焦胃腸道腫瘤的微創(chuàng )治療；應用基礎研究方面，對胃腸道腫瘤發(fā)展和轉移過(guò)程中的分子生物學(xué)機制進(jìn)行了探索，尤其對胃腸道腫瘤的內部異致性開(kāi)展了深入研究。
喬杰院士團隊與湯富酬教授團隊長(cháng)期合作，致力于利用單細胞測序技術(shù)探索人類(lèi)早期發(fā)育過(guò)程中生殖細胞與胚胎的表觀(guān)遺傳學(xué)修飾與基因表達調控的分子機制，已在Cell、Nature等雜志發(fā)表系列文章，精確繪制了人類(lèi)植入前胚胎和胎兒生殖細胞發(fā)育過(guò)程中的轉錄組、DNA甲基化組圖譜，以及胎兒消化道發(fā)育過(guò)程中的高精度單細胞轉錄組圖譜，為了解人類(lèi)自身胚胎發(fā)育特征提供了重要數據。
該研究結合前期消化道發(fā)育研究經(jīng)驗，利用創(chuàng )新性的單細胞三組學(xué)測序技術(shù)（scTrio-seq2）從基因組、甲基化組、轉錄組三個(gè)層面全面解析了結直腸癌腫瘤內部異質(zhì)性并精確追蹤了結直腸癌進(jìn)展和轉移過(guò)程中的三個(gè)組學(xué)的動(dòng)態(tài)變化和相互調控關(guān)系。在全面建立轉移性結直腸癌的單細胞追蹤體系基礎上，深入研究了結直腸癌基因組、甲基化組及轉錄組之間的調控關(guān)系，在三組學(xué)層面揭示了結直腸癌轉移的發(fā)生機制，從而為預測結直腸癌耐藥性、指導轉移性結直腸癌的靶向和免疫治療以及開(kāi)發(fā)新的腫瘤治療手段奠定了基礎。
北京大學(xué)第三醫院周鑫博士、雍軍博士，北京大學(xué)生物醫學(xué)前沿創(chuàng )新中心博士生卞舒惠、侯宇、李顯龍、王藝橙為該論文的并列第一作者；北京大學(xué)第三醫院付衛教授、喬杰院士，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院湯富酬教授為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng )新中心、北大-清華聯(lián)合中心等的資助。
該研究的主要發(fā)現有：
（1） 基于DNA甲基化組數據推斷出的基因組拷貝數變異精準鑒定了腫瘤細胞的亞克隆，利用穩定的基因組信息進(jìn)行了腫瘤轉移過(guò)程中的譜系追蹤。該研究精準鑒定出了結直腸癌患者單個(gè)癌細胞的染色體拷貝數變異譜，并利用其高精度的染色體內斷點(diǎn)信息進(jìn)行了腫瘤細胞的譜系追蹤, 在單細胞分辨率追蹤了同一遺傳譜系的腫瘤細胞在轉移過(guò)程中DNA甲基化及基因表達的變化情況。
圖2. CRC01患者癌細胞的單細胞染色體拷貝數變異譜
圖3. CRC01患者的腫瘤亞克隆結構示意圖
（2）以基因組信息為基礎，系統解析了腫瘤細胞的DNA甲基化和轉錄組異質(zhì)性，并全面闡釋了三個(gè)組學(xué)間的相互關(guān)系。在全基因組水平，檢測到腫瘤細胞的DNA甲基化水平普遍低于癌旁的正常上皮細胞，而且DNA甲基化降低的程度存在很大異質(zhì)性；利用鑒定出的腫瘤細胞遺傳譜系信息，發(fā)現腫瘤細胞的基因組DNA甲基化譜與遺傳譜系高度一致，同一塊腫瘤組織中同一譜系的腫瘤細胞DNA甲基化水平高度相似，而不同譜系的腫瘤細胞DNA甲基化水平可存在很大差異；單細胞水平，基因啟動(dòng)子區域的DNA甲基化與相應基因的表達呈現強烈的負相關(guān)關(guān)系，而基因區的DNA甲基化與相應基因的表達呈現正相關(guān)關(guān)系。
圖4. 腫瘤細胞的遺傳譜系、DNA甲基化、基因表達三者之間單細胞分辨率的對應關(guān)系
（3）揭示了結直腸癌細胞DNA去甲基化的共同特點(diǎn)，發(fā)現了染色體水平的DNA甲基化異常和基因組不穩定性間的關(guān)聯(lián)。腫瘤細胞的DNA去甲基化程度與相應基因組區域在癌旁正常上皮細胞中的DNA甲基化水平呈現正相關(guān)關(guān)系，也就是說(shuō)，在正常上皮細胞中DNA甲基化越高的基因組區域，其DNA去甲基化越強烈；在結直腸癌細胞中，相比于其他17條染色體，有6條染色體（4號、5號、8號、13號、18號、和X染色體）傾向于發(fā)生更強烈的DNA去甲基化。其中8號、13號、和18號染色體在TCGA數據庫（178個(gè)非高頻點(diǎn)突變類(lèi)型的病例樣本）以及該研究的12個(gè)病例中均同時(shí)具有高頻的拷貝數變異。在這6條基因組DNA去甲基化更強烈的染色體中，有5條染色體（4號、5號、8號、13號、和X染色體）也同時(shí)顯著(zhù)富集基因點(diǎn)突變（單核苷酸變異）。
圖5. CRC01患者癌細胞相比于癌旁細胞的DNA甲基化水平
圖6.結直腸癌細胞染色體水平的DNA甲基化異常和基因組不穩定性的特點(diǎn)
作者：仰東萍 周鑫
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