近年来，人们通过对肿瘤基因组进行测序彻底改变了癌症的治疗方法，并可在分子水平上识别癌症的驱动因素。但由于当前基因组测序的局限性，了解肿瘤内单个细胞的遗传多样性及其如何影响疾病进展仍然是一个挑战。

近日，美国南加州大学研究团队与10X Genomics团队合作利用基于微液滴的高通量单细胞测序方法，同时对近1500个单细胞进行了基因组测序并绘制拷贝数变异图谱，揭示了此前隐藏在黑素瘤细胞系COLO829中的遗传多样性。6月25日，该研究结果发表在Communications Biology上，证明了单细胞测序揭示癌细胞可能进化轨迹的能力。

目前，很多研究通过对数百万个肿瘤细胞进行测序来获得肿瘤的遗传信息，而不是单个细胞。虽然这种方法提供了组织遗传构成的广泛信息，但这可能会错过肿瘤中少量癌细胞的特殊信息。使用其他分析单细胞DNA的方法，往往花费数周时间才能处理少量细胞，并且需要大多数实验室所没有的资源。为此，南加州大学研究团队与10X Genomics共同开发了一种新技术，称为“单细胞拷贝数分析”。

研究团队对COLO829细胞系的1475个细胞进行了基因组DNA的浅层单细胞测序，并使用Cell Ranger DNA Pipeline进行了生物信息学分析，以单细胞分辨率绘制拷贝数变异图谱。研究团队希望通过这种较高的分辨率研究，来发现低分辨率批量测序遗漏的癌症细胞信息。

图：单细胞样本和数据处理的工作流程。a.样品制备；b.单细胞分析；c.数据分析，包括变量检测和断点分析。

结果显示，虽然COLO829细胞系在全基因组范围内具有均匀的平均拷贝数，但在单细胞分辨率下仍发现在各个单细胞之间具有不同的拷贝数变异分布。例如，在2Mb分辨率下，细胞＃596在1号染色体中具有三个不同的拷贝状态，在18号染色体中具有两个不同的拷贝状态，而在8号染色体中具有3个拷贝。

研究发现，至少有四个主要的细胞亚群（克隆），可在癌细胞系进化的某个时候从原始癌细胞发生突变。此外，研究人员观察到18号染色体暗示性断裂的额外拷贝，该断裂在某些子细胞中始终保持不变。在某些细胞中，第8号染色体的拷贝数也发生了变化。

南加州大学David Craig博士表示：“我们使用这种方法检查了标准的癌细胞系，并在许多不同的实验室中进行了数千次验证。令人惊讶的是，借助这项技术，我们发现了癌细胞系意想不到的复杂性。实际上，这一癌细胞系始终是不同类型细胞的混合物。现在通过这些新信息，重新分析该领域数十年的工作，我们对肿瘤发展有了新的见解。”

总的来说，尽管有许多研究鉴定了该细胞系中亚克隆异质性的某些特征，但无法将结构和突变事件分配对应到明确的克隆。在该研究中，通过单细胞测序发现，SKY核型和拷贝数变化之间存在显著的一致性。

在癌症组织中鉴定的亚克隆可以提供重要的生物学见解，以了解癌症如何发展，如何扩散以及为什么会对治疗产生抵抗力。研究团队表示“如果肿瘤中有一小部分细胞已经发生改变，从而使其具有抗药性，该怎么办？如果把肿瘤组织磨碎进行测序，就可能看不到这种改变。如果进入单细胞水平，不仅可以看到这种变化，还可以看到实际上已经获得这种改变的特定细胞群。这样可以更早地获得有助于制定治疗方法的分子信息。”

研究团队计划共享该研究数据，希望更多的癌症研究人员能专注于单细胞测序。同时，他们还利用该技术研究临床癌症样本的遗传多样性，以更好地了解导致侵略性和难治疗晚期癌症的早期分子变化。

参考资料：

1.Single-cell sequencing of genomic DNA resolves sub-clonal heterogeneity in a melanoma cell line. Commun Biol 3, 318 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-020-1044-8

https://www.nature.com/articles/s42003-020-1044-8#Ack1

2.New DNA sequencing technique may help unravel genetic diversity of cancer tumors

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/ksom-nds062420.php