01
研究背景
髓母細胞瘤是一種常見的兒科中樞神經系統惡性腫瘤，其好發於兒童，特別是年齡在5至9歲的群體中。儘管過去幾十年中在病理學認識和治療策略方面取得了一定進展，但3/4組髓母細胞瘤的預後仍然不容樂觀，通常存在較高的複發率和較低的生存率。這個亞型的腫瘤以其高度的分子異質性著稱，使得對其有效治療充滿挑戰。傳統的組學研究已經揭示，在3/4組髓母細胞瘤中，雖然部分病例能明確識別出單一基因驅動的致癌事件，如MYC和MYCN的擴增，以及PRDM6的過表達，但更多的病例中則以大規模的複製數變異為主。這些變異包括染色體8和11的丟失以及染色體7和17q的增加。此類大規模遺傳變異對腫瘤的發生和發展，以及其頑固的耐藥性起到了推動作用，這為理解腫瘤的起源和進化路徑提供了重要線索。
然而，儘管科學家已經在3/4組髓母細胞瘤的分子異質性上取得了不少進展，仍有諸多未解之謎，特別是關於腫瘤內的異質性，以及腫瘤基因變化在疾病進展中的確切角色。這篇發表在《Nature》上的論文，題為“Oncogene aberrations drive medulloblastoma progression, not initiation”，正是試圖解答這些疑惑。研究團隊透過使用單細胞技術，包括單核RNA測序和空間轉錄組學，深入探討了MYC、MYCN和PRDM6等癌基因在3/4組髓母細胞瘤不同階段中的作用。研究利用了一組已知存在這些基因改變的腫瘤樣本，透過分析發現，大規模染色體畸變可能是疾病早期的啟動事件，而單基因癌基因事件則更多地發生在腫瘤發展的後期階段，並且在一些情況下能夠透過克隆擴增推動腫瘤進一步發展和抗藥性。研究的這些發現不僅為理解髓母細胞瘤的發生和演化機制作出了新的貢獻，也提示了未來可能應用於早期檢測和診斷的方向。
02
研究發現
研究揭示了在髓母細胞瘤（medulloblastoma）中，尤其是第3/4組別中，腫瘤的進展主要由癌基因異常驅動，而非腫瘤的起始。透過單細胞技術（如單核RNA測序和空間轉錄組學），研究團隊發現大規模染色體異常是早期的腫瘤起始事件，而單基因的癌基因事件通常在晚期出現，並且通常是亞克隆的。然而，MYC基因可以在疾病進展中變為克隆性，從而推動腫瘤進一步發展和治療抵抗。空間轉錄組學顯示，這些亞克隆大多在腫瘤組織中交錯分佈，但也存在明顯的分隔。
研究還透過群體遺傳學模型估計，髓母細胞瘤的起始可能發生在小腦單極刷細胞譜系中，從妊娠的第一孕期開始。研究結果表明，單細胞技術可以用於這種致命疾病的早期檢測和診斷。此外，研究發現大規模複製數變異（CNVs）是可能的腫瘤起始事件，而單基因癌基因異常則在腫瘤演化過程中出現，推動亞克隆的演化。
03
臨床意義
早期診斷和靶向治療的可能性：這項研究揭示了髓母細胞瘤（尤其是3/4組）中大規模複製數變異（CNVs）是腫瘤早期啟動的事件，而單基因致癌事件（如MYC、MYCN和PRDM6的異常表達）則在腫瘤演化過程中出現。這表明可以透過檢測大規模CNVs在早期進行腫瘤的檢測和診斷。 腫瘤異質性和治療抵抗：研究表明，單基因致癌事件通常是亞克隆性的，並在腫瘤進展過程中發揮作用，但MYC異常可以在疾病進展中變成克隆性，推動進一步的腫瘤發展和治療抵抗。這一發現強調了在制定治療策略時，需要考慮腫瘤的亞克隆結構和異質性。 預後評估和治療策略：由於MYC或MYCN亞克隆的存在可能預示著復發的高風險，這項研究的結果提示在初診時識別這些亞克隆可能是預測患者預後的重要指標。同時，這也為治療策略的制定提供了方向，可能需要針對這些亞克隆進行更為精準的靶向治療。 腫瘤進展和復發機制的理解：研究指出MYC亞克隆在復發時可能會佔據主導地位，這一發現強調了在髓母細胞瘤管理中監測和處理MYC相關亞克隆的重要性。 透過上述研究，臨床醫生和研究人員可以更好地理解髓母細胞瘤的啟動和進展機制，從而改進診斷方法和個性化治療策略，這對於提高患者的生存率和生活質量具有重要意義。
04
實驗策略
1. 研究目標與設計： 本研究旨在解開大規模複製數變異（CNV）和單基因突變事件在髓母細胞瘤異質性和演化中的相互作用。 使用單細胞多組學技術對3/4組髓母細胞瘤進行研究，特別關注MYC、MYCN和PRDM6等已知癌基因的變異。
2. 單細胞技術應用： 使用單核RNA測序（snRNA-seq）、單核ATAC測序（snATAC-seq）以及空間轉錄組學技術。 這些技術用於捕捉腫瘤內部和不同腫瘤樣本間的異質性。
3. 資料分析與整合： 利用單細胞RNA和ATAC測序資料分析腫瘤的克隆結構和基因表達特徵。 應用空間轉錄組學分析腫瘤細胞在組織中的空間分佈。
4. 克隆和突變分析： 採用inferCNV方法推測細胞簇的CNV譜，結合偽批次和批次DNA甲基化CNV譜進行驗證。 使用單細胞測序資料進行突變分析以確認腫瘤系譜組成。
05
資料解讀
圖1：16個與癌基因相關的3/4組髓母細胞瘤原發腫瘤樣本的單核轉錄組分析
Figure 1 為了研究與癌基因相關的3/4組髓母細胞瘤的轉錄特徵，對16個原發腫瘤樣本進行了單核轉錄組分析。 A. 為了揭示3/4組髓母細胞瘤的轉錄特徵，作者對16個原發腫瘤樣本進行了單核RNA測序。透過分析，獲得了每個樣本的轉錄組資料，展示了不同樣本中基因表達的異質性。 B. 使用單核RNA測序資料，作者對16個樣本進行了聚類分析，識別出不同的細胞群體。結果顯示，這些細胞群體在不同樣本中具有不同的分佈和特徵。 C. 作者進一步對聚類結果進行註釋，識別出與已知細胞型別相關的基因表達模式。結果表明，不同的細胞群體與特定的細胞型別相關聯，揭示了腫瘤內部的細胞異質性。 結論：透過對16個與癌基因相關的3/4組髓母細胞瘤原發腫瘤樣本進行單核轉錄組分析，揭示了腫瘤內部的細胞異質性和不同細胞群體的轉錄特徵。
圖2：克隆增殖和分化梯度與癌基因表達無關
Figure 2 旨在探討克隆增殖和分化梯度是否受癌基因表達的影響。 A. 為了研究癌基因表達對克隆增殖的影響，作者對不同癌基因表達水平的細胞進行了克隆形成實驗。結果顯示，無論癌基因表達水平如何，細胞的克隆增殖能力沒有顯著差異。 B. 為了進一步驗證癌基因表達對細胞分化的影響，作者進行了免疫熒光實驗，檢測了分化標誌物的表達。結果表明，不同癌基因表達水平的細胞在分化標誌物表達方面沒有顯著差異。 結論：克隆增殖和分化梯度與癌基因表達水平無關，表明這些過程可能由其他因素調控。
圖3：體細胞突變特徵及其與起源細胞的關聯
Figure 3 展示了體細胞突變的特徵，並探討了這些突變與細胞起源之間的關聯。 A. 為了分析不同細胞型別中的體細胞突變特徵，作者對多種細胞型別進行了全基因組測序，透過比較不同細胞型別的突變譜，發現某些突變在特定細胞型別中更為常見。 B. 透過對比不同細胞型別的突變頻率，作者發現某些突變在特定細胞型別中具有顯著的富集，提示這些突變可能與細胞的起源密切相關。 C. 作者進一步分析了體細胞突變與細胞起源的關聯，結果顯示，某些突變的出現頻率與特定細胞型別的起源有顯著的相關性，這表明這些突變可能在細胞分化過程中發揮重要作用。 結論：透過對體細胞突變特徵的分析，研究揭示了某些突變與細胞起源之間的關聯，提示這些突變可能在細胞分化和功能中具有重要作用。
圖4：癌基因相關的第3/4組髓母細胞瘤樣本的空間異質性
Figure 4 旨在揭示癌基因相關的第3/4組髓母細胞瘤樣本中的空間異質性。 A. 為了研究髓母細胞瘤樣本中的空間異質性，作者對不同區域的腫瘤組織進行了單細胞RNA測序分析。結果顯示，不同區域的細胞群體在基因表達上存在顯著差異，提示腫瘤內部存在空間異質性。 B. 透過免疫組化分析，作者檢測了不同區域腫瘤細胞中特定癌基因的表達水平。結果表明，某些癌基因在不同區域的表達存在差異，進一步支援了空間異質性的存在。 C. 為了驗證空間異質性對腫瘤生物學行為的影響，作者比較了不同區域腫瘤細胞的增殖和侵襲能力。結果顯示，不同區域的腫瘤細胞在增殖和侵襲能力上存在顯著差異。 結論：癌基因相關的第3/4組髓母細胞瘤樣本中存在顯著的空間異質性，這種異質性可能影響腫瘤的生物學行為和治療反應。
圖5：獨立的癌基因亞克隆可能共存於一個腫瘤中，但在復發時亞克隆會丟失。
Figure 5 展示了獨立的癌基因亞克隆可能共存於一個腫瘤中，但在復發時亞克隆會丟失。。A. 為了研究腫瘤中癌基因亞克隆的共存情況，作者對腫瘤樣本進行了單細胞測序分析。結果顯示，在同一個腫瘤中可以檢測到多個獨立的癌基因亞克隆，這表明不同的亞克隆可以共存於一個腫瘤中。 B. 為了探討腫瘤復發時亞克隆的變化，作者對復發前後的腫瘤樣本進行了比較分析。結果顯示，在復發的腫瘤中，部分亞克隆丟失，這說明覆發時腫瘤的克隆結構發生了變化。 結論：獨立的癌基因亞克隆可以在一個腫瘤中共存，但在腫瘤復發時，部分亞克隆會丟失，提示腫瘤復發伴隨著克隆結構的改變。
06
主要結論
這項研究揭示了在兒童神經腫瘤領域中，尤其是組3/4髓母細胞瘤的治療挑戰。研究表明，大規模染色體異常是早期腫瘤起始事件，而單基因致癌事件則在腫瘤進展過程中出現，通常是亞克隆的，但MYC可以在疾病進展時成為克隆性並驅動腫瘤發展及治療抵抗。空間轉錄組學顯示，這些亞克隆大多分佈在腫瘤組織中，但也存在明顯的分隔。使用群體遺傳學模型，研究估算髓母細胞瘤在小腦單極刷細胞譜系中的起始時間從孕期第一孕期開始。研究強調了單細胞技術在檢測和診斷這類致命疾病中的應用潛力。
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討論總結
研究表明，MYC和MYCN等致癌基因的過表達不是組3/4髓母細胞瘤的起始事件，而是加速腫瘤生長的次級事件。相反，大規模的複製數變異（CNVs）可能是驅動這些腫瘤起始的主要因素，這與四倍體化可能是髓母細胞瘤早期事件的假設一致。透過突變時鐘和數學建模，研究推測髓母細胞瘤的起始是一個多步驟過程，早期CNVs可能在胎兒發育時就已獲得，並驅動了一個良性前體克隆，隨後在生命的前十年內發生惡性轉化。儘管這些發現為髓母細胞瘤的起始機制提供了新的見解，但研究也指出，儘管MYC/MYCN等基因的亞克隆在腫瘤進展和復發中扮演了重要角色，但它們並不是腫瘤的起始事件。這些結果對於理解髓母細胞瘤的複雜性和發展更有效的診斷策略具有重要意義。
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