2018年11月30日，国际顶级学术期刊《科学》（SCIENCE, IF=41.058）正式发表了北京大学第三医院付卫团队、乔杰团队和北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬团队合作研究成果“Single-cell Multi-omics Sequencing and Analyses of HumanColorectal Cancer”（人类结直肠癌的单细胞多组学测序研究）。
该研究在国际上首次从单细胞分辨率、多组学水平深入解析了人类结直肠癌在发生和转移过程中，基因组拷贝数变异、DNA甲基化异常及基因表达改变的特点及相互关系，为结直肠癌的转移机制研究指出了新的方向，为转移性结直肠癌的临床治疗提供了新的理论依据。
目前在结直肠癌的治疗中最大的挑战是肿瘤对药物的耐药性，而耐药性产生的根本原因是肿瘤的内部异质性，即在肿瘤进展过程中出现了新的基因突变、表观遗传学改变以及基因表达的改变，导致同一肿瘤中存在多种不同的肿瘤细胞类型，产生对不同药物的抵抗性。传统整块组织测序得到的信息是包括了多种肿瘤细胞、间质细胞以及免疫细胞在内的成千上万个细胞信息的整合，并不能得到特定类型肿瘤细胞的精确信息，以致无法深入解析肿瘤内部异质性。近年来高速发展的单细胞测序技术虽然补充了整块组织测序的这一缺陷，但是大多单细胞测序工作仅针对单一组学进行研究，无法从多组学层面解析肿瘤细胞的遗传学改变，不能揭示肿瘤进展过程中同一细胞内不同组学间的相互联系。
图1 课题研究思路
付卫教授团队长期致力于胃肠道肿瘤的临床治疗和应用基础研究。临床治疗方面，聚焦胃肠道肿瘤的微创治疗；应用基础研究方面，对胃肠道肿瘤发展和转移过程中的分子生物学机制进行了探索，尤其对胃肠道肿瘤的内部异致性开展了深入研究。
乔杰院士团队与汤富酬教授团队长期合作，致力于利用单细胞测序技术探索人类早期发育过程中生殖细胞与胚胎的表观遗传学修饰与基因表达调控的分子机制，已在Cell、Nature等杂志发表系列文章，精确绘制了人类植入前胚胎和胎儿生殖细胞发育过程中的转录组、DNA甲基化组图谱，以及胎儿消化道发育过程中的高精度单细胞转录组图谱，为了解人类自身胚胎发育特征提供了重要数据。
该研究结合前期消化道发育研究经验，利用创新性的单细胞三组学测序技术（scTrio-seq2）从基因组、甲基化组、转录组三个层面全面解析了结直肠癌肿瘤内部异质性并精确追踪了结直肠癌进展和转移过程中的三个组学的动态变化和相互调控关系。在全面建立转移性结直肠癌的单细胞追踪体系基础上，深入研究了结直肠癌基因组、甲基化组及转录组之间的调控关系，在三组学层面揭示了结直肠癌转移的发生机制，从而为预测结直肠癌耐药性、指导转移性结直肠癌的靶向和免疫治疗以及开发新的肿瘤治疗手段奠定了基础。
北京大学第三医院周鑫博士、雍军博士，北京大学生物医学前沿创新中心博士生卞舒惠、侯宇、李显龙、王艺橙为该论文的并列第一作者；北京大学第三医院付卫教授、乔杰院士，北京大学生命科学学院汤富酬教授为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会、北京未来基因诊断高精尖创新中心、北大-清华联合中心等的资助。
该研究的主要发现有：
（1） 基于DNA甲基化组数据推断出的基因组拷贝数变异精准鉴定了肿瘤细胞的亚克隆，利用稳定的基因组信息进行了肿瘤转移过程中的谱系追踪。该研究精准鉴定出了结直肠癌患者单个癌细胞的染色体拷贝数变异谱，并利用其高精度的染色体内断点信息进行了肿瘤细胞的谱系追踪, 在单细胞分辨率追踪了同一遗传谱系的肿瘤细胞在转移过程中DNA甲基化及基因表达的变化情况。
图2. CRC01患者癌细胞的单细胞染色体拷贝数变异谱
图3. CRC01患者的肿瘤亚克隆结构示意图
（2）以基因组信息为基础，系统解析了肿瘤细胞的DNA甲基化和转录组异质性，并全面阐释了三个组学间的相互关系。在全基因组水平，检测到肿瘤细胞的DNA甲基化水平普遍低于癌旁的正常上皮细胞，而且DNA甲基化降低的程度存在很大异质性；利用鉴定出的肿瘤细胞遗传谱系信息，发现肿瘤细胞的基因组DNA甲基化谱与遗传谱系高度一致，同一块肿瘤组织中同一谱系的肿瘤细胞DNA甲基化水平高度相似，而不同谱系的肿瘤细胞DNA甲基化水平可存在很大差异；单细胞水平，基因启动子区域的DNA甲基化与相应基因的表达呈现强烈的负相关关系，而基因区的DNA甲基化与相应基因的表达呈现正相关关系。
图4. 肿瘤细胞的遗传谱系、DNA甲基化、基因表达三者之间单细胞分辨率的对应关系
（3）揭示了结直肠癌细胞DNA去甲基化的共同特点，发现了染色体水平的DNA甲基化异常和基因组不稳定性间的关联。肿瘤细胞的DNA去甲基化程度与相应基因组区域在癌旁正常上皮细胞中的DNA甲基化水平呈现正相关关系，也就是说，在正常上皮细胞中DNA甲基化越高的基因组区域，其DNA去甲基化越强烈；在结直肠癌细胞中，相比于其他17条染色体，有6条染色体（4号、5号、8号、13号、18号、和X染色体）倾向于发生更强烈的DNA去甲基化。其中8号、13号、和18号染色体在TCGA数据库（178个非高频点突变类型的病例样本）以及该研究的12个病例中均同时具有高频的拷贝数变异。在这6条基因组DNA去甲基化更强烈的染色体中，有5条染色体（4号、5号、8号、13号、和X染色体）也同时显著富集基因点突变（单核苷酸变异）。
图5. CRC01患者癌细胞相比于癌旁细胞的DNA甲基化水平
图6.结直肠癌细胞染色体水平的DNA甲基化异常和基因组不稳定性的特点
作者：仰东萍 周鑫
来源：北京大学第三医院微信号
(责编：马晓慧、许晓华)
