癌症克隆的空间基因组学

撰文 | 十一月

癌症基因组测序通常会发现同一肿瘤中存在不同的亚克隆镶嵌现象，这可能是癌症细胞的进化过程导致。但是目前为止，对于肿瘤的空间生长模式以及潜在的分子机制仍然很难进行分析【1-2】。

2022年11月9日，英国桑格研究所Lucy R. Yates研究组、瑞典斯德哥尔摩大学Mats Nilsson研究组以及英国欧洲生物信息学研究所Moritz Gerstung研究组合作在Nature发表了文章Spatial genomics maps the structure, nature and evolution of cancer clones，建立了一个可以对整个肿瘤切片中基因不同亚克隆组成进行详细定量地图的工作流程，为研究肿瘤不同克隆生长模式、组织特征、微观解剖和克隆的微环境组成提供了基础。

肿瘤的空间信息对于恶性肿瘤的生长、进展以及复发等过程的探究非常关键。利用体细胞突变进行谱系追踪是推断肿瘤中不同亚克隆关系的有力工具，但是如何在冻存的人体组织环境中进行追踪还尚无方法。激光捕获显微解剖（Laser capture microdissection，LCM）结合低输入核酸文库以及单细胞测序一定程度上能够解决亚克隆空间结构【3-4】。但是这些方法都很难对肿瘤进行从头空间检测以及点突变等混合克隆的定量读取。为此，作者们希望同时追踪多种癌症特异性的体细胞突变。为了满足这一想法，作者们开发了一个工作流程称为BaSISS（Base-specific in situ sequencing），以碱基特异性原位测序的方法对肿瘤不同克隆的空间模式进行定义。

图1 BaSISS的工作流程

BaSISS的工作流程以新鲜的冷冻组织块为中心，这些组织块经过冷冻切片，以生成用于大块全基因组分析、组织内空间克隆映射以及空间表型分析的Z轴堆叠切片。在获得大量的全基因组分析后进行BaSISS流程分析，BaSISS主要包括三个核心步骤（图1）。首先，BaSISS探针具有序列特异性寡核苷酸靶识别臂，用于克隆定义体细胞变体的突变型和野生型等位基因，每个探针上都有一个独特核苷酸读取器条形码，可以实现多路复用。其次，使用循环显微镜对基因表达以及转录本检测。第三，利用二维高斯过程和局部细胞计数的统计算法生成连续的空间亚克隆映射。另外，作者们结合已经发表的单细胞RNA测序数据、免疫组画染色等进行空间解析单细胞转录组学。

首先作者们将BaSISS工作流程对两名乳腺癌患者的8个切除的肿瘤组织块进行分析，这两位患者中一个具有雌激素受体阳性以及HER2阴性的发性浸润性乳腺癌，另外一位是三阴性原发性浸润性乳腺癌。作者们通过大规模全基因组测序发现了6个对系统发育数树分支的突变亚克隆。为了实现亚克隆的空间检测，BaSISS探针在系统发育树的每个分支上设计了突变型以及野生型探针共计50个以及一个扩增的致癌基因FGFR1，从而生成了表现亚克隆分布的肿瘤地图（图2）。另外，在一例导管原位癌中，通过BaSISS工作流程作者们发现肿瘤不同亚克隆在宏观范围内发生扩张，但在微观解剖结构内分离的特征。由此，作者们发现了肿瘤中不同亚克隆的分布模式以及生长过程，这对于分析肿瘤的侵袭性等大有裨益。

图2 BaSISS流程揭示肿瘤亚克隆图谱

总的来说，作者们的工作提出了BaSISS工作流程，通过结合多通路复用的基于荧光显微镜的协议和算法，对癌症中不同亚克隆进行空间映射和表征。这些图谱是进一步对每个克隆进行空间和单细胞分辨分子和组织学表征的基础。未来，BaSISS等空间基因组学方法的广泛应用将揭示癌症是如何在不同组织中的生长、进化过程，这些结果将为解释癌症进化和微环境生态机制方面提供新的方法和案例。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05425-2

制版人：十一

参考文献

1. Greaves, M. & Maley, C. C. Clonal evolution in cancer.Nature481, 306–313 (2012).

2. McGranahan, N. & Swanton, C. Clonal heterogeneity and tumor evolution: past, present,and the future.Cell168, 613–628 (2017)

3. Casasent, A. K. et al. Multiclonal invasion in breast tumors identified by topographic single cell sequencing.Cell172, 205–217.e12 (2018)

4. Shen, C. Y. et al. Genome-wide search for loss of heterozygosity using laser capture microdissected tissue of breast carcinoma: an implication for mutator phenotype and breast cancer pathogenesis.Cancer Res.60, 3884–3892 (2000)

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