編者按：

單細胞多組學技術以很高的精度和深度，徹底改變我們對復雜疾病的理解。整合單個細胞的染色質可及性、轉錄和翻譯水平，可揭示傳統方法無法捕捉的細胞異質性和分子機制。新研究利用單細胞核RNA測序和ATAC測序，深入剖析了膠質母細胞瘤（GBM）的內部結構，發現了關鍵轉錄因子AP-1和BACH1在細胞狀態轉換中的重要作用，不僅揭示了GBM的高度異質性，還為個性化治療提供了堅實基礎。

研究背景

膠質母細胞瘤（GBM）是一種高度惡性的腦腫瘤，患者預后極差，中位生存期不足15個月。為了開發更有效的治療方法，研究人員利用單細胞核RNA測序和單細胞ATAC測序，分析了配對的GBM患者樣本，構建了詳細的細胞類型圖譜，揭示了GBM內部的高度異質性和不同細胞類型的基因表達模式。總體而言，本研究為理解GBM的細胞異質性和分子機制提供了新視角，并為個性化治療策略奠定了基礎。

文章詳情 

文章題目：Single-cell multi-omics sequencing uncovers region-specific plasticity of glioblastoma for complementary therapeutic targeting
中文題目：單細胞多組學測序揭示膠質母細胞瘤的區域特異的可塑性及其互補治療靶標
發表時間：2024.11
期刊名稱：Science Advances
影響因子：11.7
實驗平臺：單細胞核轉錄組測序+ATAC測序
DOI：10.1126/sciadv.adn4306

研究結果 

1、配對GBM患者組織的單細胞多組學譜型

為了揭示膠質母細胞瘤（GBM）的異質性，研究人員利用單細胞RNA測序（snRNA-seq）和單細胞ATAC測序（snATAC-seq），分析了配對的GBM患者樣本。通過整合這兩種技術，研究團隊構建了詳細的細胞類型圖譜，展示了不同細胞類型的基因表達和染色質可及性特征。這項工作為個性化醫療提供了新的視角，揭示了GBM內部的高度異質性。

Fig1. GBM基因表達和染色質可及性的單細胞圖譜

2、細胞類型特異性調控GBM中的染色質可及性

研究人員結合snRNA-seq和snATAC-seq，鑒定了52,485個具有高度細胞類型特異性的基因相關順式調控元件（gl-CREs）。該研究揭示了9042個CRE鏈接的基因，每個基因平均連接到5個CREs，強調了遠端調控元件在調控細胞類型特異性基因表達中的重要作用。這些發現為探索新型治療靶點提供了理論基礎。

Fig2. 遠端峰賦予細胞類型特異性并揭示潛在的細胞類型特異性TF調節

3、浸潤至周邊腦組織的惡性細胞具有獨特的轉錄組特征

研究人員使用inferCNV和Uphyloplot2分析GBM細胞的基因組結構，發現浸潤至周邊腦組織（PTB）的GBM細胞表現出較弱的泛癌特征，并在代謝和增殖方面不活躍。進一步的轉錄組分析顯示，PTB中的細胞誘導了與神經元發育相關的基因，表明健康腦區域的微環境對其有顯著影響。

Fig3. 浸潤的GBM細胞與TC中的GBM細胞相比具有不同的特征

4、多樣化的轉錄因子驅動GBM細胞狀態

本部分探討了GBM細胞狀態的高度可塑性和多樣性，發現了患者間及同一患者內腫瘤核心區（TC）和PTB區域間的顯著異質性。OPC-like細胞在PTB中比例增加，而AC-like細胞減少。研究鑒定出數十種狀態特異性轉錄因子（TFs），如GFI1、FOXK1等，提示AP-1可能是關鍵因素，但其活性在不同狀態下有所變化，需要謹慎考慮作為治療靶點。

Fig4. 四種細胞狀態下的GBM細胞共享調控子AP-1

5、PTB區域中AP-1活性下降而BACH1活性增加

研究人員在單細胞水平上比較了PTB_G和TC_G中AP-1的活性，發現AP-1在TC_G中活躍但在PTB_G中顯著下降，具有區域性異質性。與此同時，BACH1在PTB_G中的調控網絡活性高于TC_G。研究揭示了BACH1增強子在PTB_G中的更高活性，提示其表達上調可能由遠端增強子調控，提出了AP-1和BACH1在GBM細胞中可能存在互補關系。

Fig5. PTB中GBM細胞的調控改變

6、GBM細胞侵襲過程中的動態轉錄組調控

研究人員構建了偽時間軌跡，推斷GBM細胞在浸潤時如何改變其轉錄組。結果顯示，隨著軌跡的發展，AP-1活性從起點急劇下降，而BACH1逐漸增加。GO分析揭示了沿PTB分支上調基因的功能，包括微管基運動、神經元遷移等。相反，下調基因涉及缺氧反應、雙鏈斷裂修復等。這些結果表明，伴隨AP-1活性下降和BACH1增加，浸潤細胞獲得了更多神經元樣的遷移能力，同時減少了缺氧應激和細胞死亡。

7、靶向AP-1和BACH1的聯合療法

研究人員測試了雙重靶點抑制（AP-1和BACH1）是否能產生協同腫瘤抑制效果。體外實驗顯示，GBM細胞系U251經shRNA介導的BACH1敲低和ERK1/2抑制劑ulixertinib處理后，比單獨治療更有效地抑制細胞增殖和遷移。體內實驗也證實，聯合治療顯著改善了腫瘤控制并延長了生存期。FDA批準的小分子藥物hemin用于實現BACH1降解，同樣展示了良好的治療效果。這些數據顯示了雙重靶點療法在體外和體內對GBM的有效性，值得進一步評估。

Fig6. 聯合療法可抑制GBM小鼠模型中的腫瘤生長并提高生存率

主要結論 

本研究收集了來自腫瘤核心（TC）和周邊腦組織（PTB）的配對樣本，進行snRNA-seq和snATAC-seq分析。結果顯示，從腫瘤核心浸潤到周邊腦組織的腫瘤細胞在轉錄組水平上更類似于少突膠質細胞前體細胞而非星形膠質細胞。腫瘤基因組中的遠端調控區域及特定轉錄因子可能是區域異質性的潛在決定因素。值得注意的是，激活蛋白1（AP-1）在所有GBM狀態下均活躍，但其活性從腫瘤核心到周邊腦組織逐漸下降，而另一個轉錄因子BACH1則表現出相反的趨勢。聯合抑制AP-1和BACH1比單一靶向治療更能有效減緩小鼠模型中的腫瘤進展并延長生存期。綜上所述，我們的研究揭示了浸潤GBM細胞顯著的分子改變，并證明了針對腫瘤內部及其遠端區域異質性的聯合治療具有協同效應。

參考文獻：
Wang, Xin et al. “Single-cell multi-omics sequencing uncovers region-specific plasticity of glioblastoma for complementary therapeutic targeting.” Science advances vol. 10,47 (2024): eadn4306.