Cancer Cell：王凌華團隊在單細胞水平刻畫多發(fā)性骨髓瘤的前體疾病及其克隆演化模式

子孫滿堂康復師 2023-06-16 發(fā)布于黑龍江

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多發(fā)性骨髓瘤（multiple myeloma，MM）是一種起源于漿細胞（plasma cells，PCs）的血液系統(tǒng)惡性腫瘤，其特征是骨髓內(nèi)克隆性漿細胞（clonal plasma cells，cPCs）的異常增殖，至今尚無法根治。

MM主要從兩種無癥狀的前體疾病——意義未明的單克隆丙種球蛋白病（monoclonal gammopathy of undetermined significance，MGUS）和冒煙型多發(fā)性骨髓瘤（smoldering multiple myeloma，SMM）——進展而來，這為疾病的早期干預提供了可能。然而與許多其他癌癥不同，只有當腫瘤負荷導致器官受損或當腫瘤負荷足夠大時，才會對患者進行治療。并且，并非所有的前體疾病患者都會發(fā)展為有癥狀的骨髓瘤，因此除非是參與臨床試驗，通常不推薦前體疾病患者接受治療。此外，現(xiàn)有的各種預后方法在預測每個患者的骨髓瘤進展風險上缺乏一致性，這進一步增加了治療和不治療的選擇的復雜性。

對前體疾病的大規(guī)模轉錄組分析顯示，腫瘤微環(huán)境（TME）和腫瘤細胞的特性在疾病早期和疾病進展期間都有廣泛的變化。然而，由于早期疾病的腫瘤純度低和腫瘤細胞難以獲取，這些研究受到了限制。雖然在過去幾年中，該領域已經(jīng)發(fā)表了多個關于MM的單細胞RNA測序（scRNA-seq）的研究，但這些研究所包含的前體疾病樣本數(shù)量有限。更重要的是，這些研究缺乏單細胞B細胞受體測序（scBCR-seq）數(shù)據(jù)，這使得準確定義惡性細胞并推斷腫瘤細胞起源、克隆結構和進化模式變得困難。

因此，進一步的對疾病早期克隆性漿細胞的細胞和分子特征，以及腫瘤微環(huán)境的改變進行更全面多研究，可以加深我們對MGUS-SMM-MM這一進化過程的理解，從而幫助我們找到更準確評估骨髓瘤進展風險的生物標志物，為早期干預和新型療法的開發(fā)奠定基礎。

2023年6月12日，德克薩斯大學MD安德森癌癥中心王凌華團隊在 Cancer Cell 期刊發(fā)表了題為：Single cell clonotypic and transcriptional evolution of multiple myeloma precursor disease 的研究論文。

該研究揭示了骨髓瘤前體疾病患者體內(nèi)克隆性漿細胞的異質(zhì)性，骨髓瘤惡性轉化的早期基因組驅動因素，以及超二倍體（hyperdiploidy）與非超二倍體基因型之間的轉錄組特征和腫瘤微環(huán)境的變化。此外，該研究還推斷出從前體疾病到骨髓瘤不同的克隆演變模式。

這些發(fā)現(xiàn)增加了我們對骨髓瘤前體疾病發(fā)展過程的理解，并為患者的風險分層、生物標志物發(fā)現(xiàn)以及可能的臨床應用提供了寶貴的見解。

在這項研究中，研究者收集了來自64例患者的65個全骨髓穿刺樣本或CD138富集的漿細胞樣本（包括21 個MGUS，32個SMM，7 個新近確診的MM，1 個復發(fā)/難治性MM和 4 個健康對照樣本），并進行了配對的scRNA和scBCR測序。經(jīng)過嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，研究者獲取了183,928 個單細胞的轉錄組數(shù)據(jù)，包括64,078個漿細胞（PCs）和119,850個腫瘤微環(huán)境細胞，其中74,241個細胞有配對的scRNA-seq和scBCR-seq數(shù)據(jù)。這是迄今為止包含前體疾病樣本最多的單細胞（尤其是scBCR-seq）數(shù)據(jù)集。

研究者首先對樣本的漿細胞進行了單獨的聚類分析，并整合了致癌基因的表達，推測的拷貝數(shù)變化，以及從scBCR-seq推斷出的細胞克隆性（clonality）等信息。通過這些方法，研究者準確地鑒定出了骨髓瘤前體疾病中的克隆性漿細胞。他們發(fā)現(xiàn)，在疾病早期，這些克隆性漿細胞已經(jīng)具有了很高的樣本內(nèi)異質(zhì)性。

研究者進一步通過整合scRNA-seq和臨床FISH檢測結果，確定了樣本的遺傳亞型（超二倍體與非超二倍體）。在這一過程中，研究者發(fā)現(xiàn)，scRNA-seq數(shù)據(jù)能有效地彌補傳統(tǒng)FISH技術的局限性，如檢測范圍窄，靈敏度不高等缺點，從而提高對腫瘤細胞基因組變異事件檢測的精度，從而能更準確的確定腫瘤細胞的遺傳亞型。研究者發(fā)現(xiàn)，不同遺傳亞型的克隆性漿細胞在內(nèi)在性質(zhì)諸（如異質(zhì)性，非整倍性以及增殖性）上存在顯著差異。隨著克隆進化，一些與高風險相關的基因組變異事件（例如，一號染色體短臂的擴增，1q gain）的獲得，會顯著增加克隆性漿細胞的異質(zhì)性。

早期克隆性漿細胞的異質(zhì)性還體現(xiàn)在骨髓瘤相關致癌基因的差異表達上。研究者發(fā)現(xiàn)，無論在前體疾病還是在骨髓瘤階段，一些已報導過的在骨髓瘤中高表達的基因，如LAMP5、CKS1B、MYC等，都在一些樣本內(nèi)不同的克隆性漿細胞亞群間表現(xiàn)出差異表達。這一發(fā)現(xiàn)具有的臨床意義，因為這意味著不同的細胞亞群可能對治療的敏感性不同。

那么這種差異表達是何時開始出現(xiàn)的呢？為探究這個問題，研究者用CytoTRACE推斷細胞的分化狀態(tài)，并將CytoTRACE分值與基因表達值進行關聯(lián)分析。研究者發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)基因的表達值和CytoTRACE分值呈正相關，這暗示著這些基因的表達是隨著腫瘤細胞的分化逐漸增強。

然而，也有一些基因在不同遺傳亞型的克隆性漿細胞中表現(xiàn)出了不同的趨勢。例如BCMA（TNFRSF17）的表達在正常漿細胞和超二倍體漿細胞中與CytoTRACE分值呈正相關，但在非超二倍體漿細胞中卻沒有這種關系；SDC1在超二倍體漿細胞中與CytoTRACE分值呈正相關，但在非超二倍體漿細胞的分化后期與CytoTRACE分值呈負相關。這些發(fā)現(xiàn)表明，骨髓瘤相關基因的表達并不是持續(xù)穩(wěn)定的，而是隨著腫瘤的進化而動態(tài)變化，并受細胞遺傳亞型和分化狀態(tài)的影響。

接下來，研究者使用Monocle構建了每個樣本的B譜系細胞的發(fā)育進化軌跡，包括正常B細胞，正常漿細胞，以及克隆性漿細胞。研究者發(fā)現(xiàn)存在兩種不同的進化模式：線性進化（linear evolution）和分支進化（branching evolution）。其中，線性進化模式主要出現(xiàn)在前體疾病中，而分支進化模式則主要出現(xiàn)在骨髓瘤中。這表明，在疾病的早期階段，腫瘤細胞更傾向于線性進化；然而，在晚期階段，隨著腫瘤的擴張和細胞的適應能力增強，分支演化可能變得更為顯著。當然，也有可能是因為早期分支進化的腫瘤更容易發(fā)生進展。研究者進一步詳細刻畫了從前體B細胞到克隆性漿細胞的分化過程中，細胞轉錄組，基因組，和克隆性的變化，檢驗了一些已知的與骨髓瘤相關的基因表達隨分化過程的動態(tài)變化，并發(fā)現(xiàn)了三個可能和疾病進展相關的基因。

最后，研究者在腫瘤微環(huán)境中識別出15種主要的免疫細胞和基質(zhì)細胞亞群，并發(fā)現(xiàn)不同遺傳亞型的樣之間腫瘤微環(huán)境成分存在顯著差異。例如，CD8+T細胞在超二倍體樣本中更加富集，而髓系細胞，如CD14+單核細胞，CD16+單核細胞和樹突狀細胞則在非二倍體樣本中更為豐富。此外，不同染色體易位類型的樣本間的腫瘤微環(huán)境成分也存在顯著差異。研究者還發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞和腫瘤微環(huán)境細胞的相互作用在兩種遺傳亞型的樣本間也存在差異。這些現(xiàn)象需要更大的樣本集進行驗證，而造成這些差異的原因也值得進一步研究。