2018年11月30日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（SCIENCE, IF=41.058）正式發(fā)表了北京大學(xué)第三醫(yī)院付衛(wèi)團(tuán)隊、喬杰團(tuán)隊和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬團(tuán)隊合作研究成果“Single-cell Multi-omics Sequencing and Analyses of HumanColorectal Cancer”（人類結(jié)直腸癌的單細(xì)胞多組學(xué)測序研究）。

該研究在國際上首次從單細(xì)胞分辨率、多組學(xué)水平深入解析了人類結(jié)直腸癌在發(fā)生和轉(zhuǎn)移過程中，基因組拷貝數(shù)變異、DNA甲基化異常及基因表達(dá)改變的特點及相互關(guān)系，為結(jié)直腸癌的轉(zhuǎn)移機(jī)制研究指出了新的方向，為轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌的臨床治療提供了新的理論依據(jù)。

目前在結(jié)直腸癌的治療中最大的挑戰(zhàn)是腫瘤對藥物的耐藥性，而耐藥性產(chǎn)生的根本原因是腫瘤的內(nèi)部異質(zhì)性，即在腫瘤進(jìn)展過程中出現(xiàn)了新的基因突變、表觀遺傳學(xué)改變以及基因表達(dá)的改變，導(dǎo)致同一腫瘤中存在多種不同的腫瘤細(xì)胞類型，產(chǎn)生對不同藥物的抵抗性。傳統(tǒng)整塊組織測序得到的信息是包括了多種腫瘤細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞以及免疫細(xì)胞在內(nèi)的成千上萬個細(xì)胞信息的整合，并不能得到特定類型腫瘤細(xì)胞的精確信息，以致無法深入解析腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性。近年來高速發(fā)展的單細(xì)胞測序技術(shù)雖然補(bǔ)充了整塊組織測序的這一缺陷，但是大多單細(xì)胞測序工作僅針對單一組學(xué)進(jìn)行研究，無法從多組學(xué)層面解析腫瘤細(xì)胞的遺傳學(xué)改變，不能揭示腫瘤進(jìn)展過程中同一細(xì)胞內(nèi)不同組學(xué)間的相互聯(lián)系。

圖1 課題研究思路

付衛(wèi)教授團(tuán)隊長期致力于胃腸道腫瘤的臨床治療和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。臨床治療方面，聚焦胃腸道腫瘤的微創(chuàng)治療；應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，對胃腸道腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程中的分子生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行了探索，尤其對胃腸道腫瘤的內(nèi)部異致性開展了深入研究。

喬杰院士團(tuán)隊與湯富酬教授團(tuán)隊長期合作，致力于利用單細(xì)胞測序技術(shù)探索人類早期發(fā)育過程中生殖細(xì)胞與胚胎的表觀遺傳學(xué)修飾與基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制，已在Cell、Nature等雜志發(fā)表系列文章，精確繪制了人類植入前胚胎和胎兒生殖細(xì)胞發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組、DNA甲基化組圖譜，以及胎兒消化道發(fā)育過程中的高精度單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，為了解人類自身胚胎發(fā)育特征提供了重要數(shù)據(jù)。

該研究結(jié)合前期消化道發(fā)育研究經(jīng)驗，利用創(chuàng)新性的單細(xì)胞三組學(xué)測序技術(shù)（scTrio-seq2）從基因組、甲基化組、轉(zhuǎn)錄組三個層面全面解析了結(jié)直腸癌腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性并精確追蹤了結(jié)直腸癌進(jìn)展和轉(zhuǎn)移過程中的三個組學(xué)的動態(tài)變化和相互調(diào)控關(guān)系。在全面建立轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌的單細(xì)胞追蹤體系基礎(chǔ)上，深入研究了結(jié)直腸癌基因組、甲基化組及轉(zhuǎn)錄組之間的調(diào)控關(guān)系，在三組學(xué)層面揭示了結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移的發(fā)生機(jī)制，從而為預(yù)測結(jié)直腸癌耐藥性、指導(dǎo)轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌的靶向和免疫治療以及開發(fā)新的腫瘤治療手段奠定了基礎(chǔ)。

北京大學(xué)第三醫(yī)院周鑫博士、雍軍博士，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心博士生卞舒惠、侯宇、李顯龍、王藝橙為該論文的并列第一作者；北京大學(xué)第三醫(yī)院付衛(wèi)教授、喬杰院士，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院湯富酬教授為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、北大-清華聯(lián)合中心等的資助。

該研究的主要發(fā)現(xiàn)有：

（1）基于DNA甲基化組數(shù)據(jù)推斷出的基因組拷貝數(shù)變異精準(zhǔn)鑒定了腫瘤細(xì)胞的亞克隆，利用穩(wěn)定的基因組信息進(jìn)行了腫瘤轉(zhuǎn)移過程中的譜系追蹤。該研究精準(zhǔn)鑒定出了結(jié)直腸癌患者單個癌細(xì)胞的染色體拷貝數(shù)變異譜，并利用其高精度的染色體內(nèi)斷點信息進(jìn)行了腫瘤細(xì)胞的譜系追蹤, 在單細(xì)胞分辨率追蹤了同一遺傳譜系的腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過程中DNA甲基化及基因表達(dá)的變化情況。

圖2. CRC01患者癌細(xì)胞的單細(xì)胞染色體拷貝數(shù)變異譜

圖3. CRC01患者的腫瘤亞克隆結(jié)構(gòu)示意圖

（2）以基因組信息為基礎(chǔ)，系統(tǒng)解析了腫瘤細(xì)胞的DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性，并全面闡釋了三個組學(xué)間的相互關(guān)系。在全基因組水平，檢測到腫瘤細(xì)胞的DNA甲基化水平普遍低于癌旁的正常上皮細(xì)胞，而且DNA甲基化降低的程度存在很大異質(zhì)性；利用鑒定出的腫瘤細(xì)胞遺傳譜系信息，發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的基因組DNA甲基化譜與遺傳譜系高度一致，同一塊腫瘤組織中同一譜系的腫瘤細(xì)胞DNA甲基化水平高度相似，而不同譜系的腫瘤細(xì)胞DNA甲基化水平可存在很大差異；單細(xì)胞水平，基因啟動子區(qū)域的DNA甲基化與相應(yīng)基因的表達(dá)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而基因區(qū)的DNA甲基化與相應(yīng)基因的表達(dá)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖4. 腫瘤細(xì)胞的遺傳譜系、DNA甲基化、基因表達(dá)三者之間單細(xì)胞分辨率的對應(yīng)關(guān)系

（3）揭示了結(jié)直腸癌細(xì)胞DNA去甲基化的共同特點，發(fā)現(xiàn)了染色體水平的DNA甲基化異常和基因組不穩(wěn)定性間的關(guān)聯(lián)。腫瘤細(xì)胞的DNA去甲基化程度與相應(yīng)基因組區(qū)域在癌旁正常上皮細(xì)胞中的DNA甲基化水平呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，也就是說，在正常上皮細(xì)胞中DNA甲基化越高的基因組區(qū)域，其DNA去甲基化越強(qiáng)烈；在結(jié)直腸癌細(xì)胞中，相比于其他17條染色體，有6條染色體（4號、5號、8號、13號、18號、和X染色體）傾向于發(fā)生更強(qiáng)烈的DNA去甲基化。其中8號、13號、和18號染色體在TCGA數(shù)據(jù)庫（178個非高頻點突變類型的病例樣本）以及該研究的12個病例中均同時具有高頻的拷貝數(shù)變異。在這6條基因組DNA去甲基化更強(qiáng)烈的染色體中，有5條染色體（4號、5號、8號、13號、和X染色體）也同時顯著富集基因點突變（單核苷酸變異）。