综合单细胞分析揭示他莫昔芬耐药乳腺癌中的表观遗传调控癌细胞状态及异质性指导的核心特征

学术背景

乳腺癌是女性中最常见的癌症之一，内分泌治疗（如他莫昔芬）是雌激素受体α（ER）阳性乳腺癌患者的标准治疗方法。尽管内分泌治疗显著降低了复发风险，但约三分之一的患者最终会发展为内分泌耐药并复发。肿瘤间和肿瘤内的异质性被认为是导致内分泌耐药的重要因素。近年来，单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞ATAC测序（scATAC-seq）技术的进步使得我们能够在单细胞分辨率下探索肿瘤异质性。然而，这种综合单细胞分析尚未被用于表征乳腺癌内分泌耐药中的转录组和染色质可及性。

论文来源

该研究由Kun Fang、Aigbe G. Ohihoin、Tianxiang Liu、Lavanya Choppavarapu等共同完成，研究团队来自Medical College of Wisconsin、Luxembourg Institute of Health、Duke University等多个机构。论文于2024年发表在《Genome Medicine》期刊上。

研究流程

1. 样本收集与单细胞分离

研究使用了8个人类乳腺组织样本，包括2个正常组织（NTs）、3个原发性肿瘤（PTs）和3个他莫昔芬治疗的复发性肿瘤（RTs）。通过单细胞核分离技术，研究人员从这些组织中分离出约82,400个细胞，并进行了scRNA-seq和scATAC-seq分析。

2. 单细胞RNA测序与ATAC测序

scRNA-seq和scATAC-seq的文库制备分别使用10x Genomics的Chromium Single Cell 3’ Library和ATAC Solution Kit。测序数据经过预处理后，使用Seurat和Signac等软件进行数据整合与分析。

3. 细胞类型注释与肿瘤异质性评估

通过scRNA-seq数据，研究人员鉴定了乳腺肿瘤组织中的多种细胞类型，并定义了PTs和RTs特异的癌细胞状态（CSS）。通过整合scRNA-seq和scATAC-seq数据，研究人员进一步鉴定了137个基因的异质性指导核心特征（HCS）。

4. 功能验证

研究人员通过体外实验验证了核心特征中的一个关键基因BMP7在他莫昔芬耐药乳腺癌细胞中的致癌作用。通过siRNA敲低BMP7，研究人员发现其能够通过调节MAPK信号通路抑制癌细胞增殖。

主要结果

1. 乳腺癌组织的单细胞异质性

研究发现，乳腺癌组织中存在显著的细胞间异质性，尤其是在PTs和RTs之间。通过scRNA-seq数据，研究人员定义了9个癌细胞状态（CSS），包括5个PT特异、3个RT特异和1个PT-RT共享的CSS。

2. 表观遗传调控的癌细胞状态

通过scATAC-seq数据，研究人员鉴定了RT特异CSS中的开放染色质区域，并发现这些区域与核心特征基因的表达密切相关。进一步的分析表明，这些基因的表观遗传调控可能通过增强子-启动子协同作用实现。

3. 核心特征的功能验证

研究人员通过体外实验验证了核心特征中的一个关键基因BMP7的功能。BMP7的敲低显著抑制了他莫昔芬耐药乳腺癌细胞的增殖，并恢复了这些细胞对他莫昔芬的敏感性。进一步的机制研究表明，BMP7通过调节MAPK信号通路发挥其致癌作用。

结论

该研究通过综合单细胞分析，揭示了乳腺癌内分泌耐药中的表观遗传调控机制，并鉴定了异质性指导的核心特征。这些发现为理解肿瘤异质性和开发新的治疗策略提供了重要的科学依据。

研究亮点

1. 单细胞分辨率下的肿瘤异质性分析：研究首次在单细胞水平上综合分析了乳腺癌内分泌耐药中的转录组和染色质可及性。
2. 核心特征的鉴定与功能验证：研究鉴定了137个基因的核心特征，并通过实验验证了其中关键基因BMP7的功能。
3. 表观遗传调控机制的揭示：研究揭示了表观遗传因素在乳腺癌内分泌耐药中的重要作用，为开发新的治疗靶点提供了理论支持。

意义与价值

该研究不仅深化了我们对乳腺癌内分泌耐药机制的理解，还为开发针对肿瘤异质性的个性化治疗策略提供了新的思路。通过综合单细胞分析，研究展示了表观遗传调控在肿瘤进展中的关键作用，为未来的癌症研究开辟了新的方向。