该研究由Qionghua Zhu、Xin Zhao、Yuanhang Zhang、Yanping Li等来自南方科技大学、BGI研究院、中国科学院大学等多个机构的科研人员共同完成，并于2023年发表在《Nature Communications》期刊上。研究聚焦于人类癌细胞系中的单细胞异质性，旨在揭示癌细胞系内部的转录组和表观遗传异质性及其动态变化。

学术背景

癌细胞系长期以来被用作癌症研究和药物开发的工具，但癌细胞系内部的异质性及其来源仍然不明确。肿瘤异质性在癌症的发生和演化中起着关键作用，而单细胞基因组学技术的进步使得研究人员能够更精确地描述肿瘤亚型和解构肿瘤的细胞复杂性。然而，大多数研究集中在临床样本上，对癌细胞系内部的异质性机制理解有限。因此，本研究通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞ATAC测序（scATAC-seq）技术，对42种和39种人类癌细胞系进行了多组学分析，旨在揭示癌细胞系内部的转录组和表观遗传异质性，并探讨其驱动机制。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 单细胞RNA测序（scRNA-seq）
   研究人员对40种癌细胞系和2种正常细胞系进行了scRNA-seq分析，涵盖了9种不同的组织来源，主要是乳腺癌和结直肠癌细胞系。为了提高通量和降低成本，每次实验将三个不同来源的细胞系混合进行测序，然后根据基因表达特征将细胞分配到相应的细胞系。通过Seurat软件对数据进行整合和分析，生成了所有42种细胞系的单细胞转录组图谱。UMAP（Uniform Manifold Approximation and Projection）分析显示，每种细胞系形成了独立的簇，验证了细胞系分配的准确性。

2. 单细胞ATAC测序（scATAC-seq）
   研究人员对39种细胞系进行了scATAC-seq分析，以研究表观遗传异质性。为了增加通量，每次实验将最多6种细胞系混合进行测序，然后根据染色质可及性特征将细胞分配到相应的细胞系。通过ArchR软件对数据进行分析，UMAP结果显示每种细胞系形成了独立的簇，表明细胞系之间的染色质可及性存在显著差异。

3. 转录组异质性分析
   研究人员对每种细胞系的单细胞转录组数据进行了非负矩阵分解（NMF）分析，识别出228个异质性表达程序，并将这些程序分为12个簇。这些程序包括细胞周期相关程序（如G1/S和G2/M程序）、上皮间质转化（EMT）程序、干扰素反应程序等。研究发现，细胞周期变异是大多数细胞系中转录组异质性的主要原因。

4. 表观遗传异质性分析
   通过scATAC-seq数据，研究人员识别出不同细胞系中的染色质可及性差异，并发现染色质可及性与转录组异质性之间存在关联。研究还发现，染色质可及性异质性主要由转录因子（TF）的活性差异驱动。

5. 拷贝数变异（CNV）分析
   研究人员通过scRNA-seq数据推断出40种细胞系中的拷贝数变异（CNV），发现CNV在62.5%的细胞系中与转录组异质性相关。研究还发现，CNV区域中的基因表达差异显著，表明CNV是转录组异质性的重要驱动因素。

6. 染色体外DNA（ecDNA）分析
   研究人员开发了一种基于scATAC-seq数据检测ecDNA的方法，发现ecDNA在癌细胞系中广泛存在，并且ecDNA的分布与转录组异质性显著相关。研究表明，ecDNA通过增加特定基因的拷贝数，影响基因表达，从而驱动转录组异质性。

7. 环境压力下的异质性重塑
   研究人员通过缺氧处理实验，研究了环境压力对转录组异质性的影响。结果表明，缺氧处理可以重塑细胞系的转录组异质性，并且不同细胞亚群对缺氧的反应存在差异。

主要结果

1. 转录组异质性
   研究发现，癌细胞系中普遍存在转录组异质性，并且这种异质性主要由细胞周期变异、EMT程序、干扰素反应程序等共同驱动。NMF分析识别出12个异质性表达程序簇，其中细胞周期相关程序是最主要的异质性来源。

2. 表观遗传异质性
   scATAC-seq分析揭示了癌细胞系中染色质可及性的异质性，并且这种异质性与转录组异质性密切相关。研究发现，染色质可及性异质性主要由转录因子的活性差异驱动。

3. 拷贝数变异（CNV）
   CNV分析表明，CNV在62.5%的细胞系中与转录组异质性相关，并且CNV区域中的基因表达差异显著，表明CNV是转录组异质性的重要驱动因素。

4. 染色体外DNA（ecDNA）
   研究发现，ecDNA在癌细胞系中广泛存在，并且ecDNA的分布与转录组异质性显著相关。研究表明，ecDNA通过增加特定基因的拷贝数，影响基因表达，从而驱动转录组异质性。

5. 环境压力下的异质性重塑
   缺氧处理实验表明，环境压力可以重塑细胞系的转录组异质性，并且不同细胞亚群对缺氧的反应存在差异。

结论

该研究通过单细胞多组学分析，揭示了人类癌细胞系中普遍存在的转录组和表观遗传异质性，并阐明了CNV、表观遗传变异和ecDNA分布对异质性的贡献。研究还表明，转录组异质性具有动态性，可以在环境压力下发生重塑。这些发现为癌细胞系的基础研究和药物开发提供了重要的资源，并为理解肿瘤异质性提供了新的视角。

研究亮点

1. 多组学整合分析
   研究首次将scRNA-seq和scATAC-seq技术结合，全面揭示了癌细胞系内部的转录组和表观遗传异质性。

2. ecDNA检测方法的创新
   研究人员开发了一种基于scATAC-seq数据检测ecDNA的新方法，成功识别出癌细胞系中广泛存在的ecDNA，并揭示了其与转录组异质性的关联。

3. 环境压力下的异质性重塑
   研究通过缺氧处理实验，首次揭示了环境压力对癌细胞系转录组异质性的重塑作用，为理解肿瘤微环境对异质性的影响提供了新的证据。

科学价值与应用价值

该研究为癌细胞系的基础研究提供了重要的资源，揭示了癌细胞系内部的异质性机制，为药物开发和肿瘤治疗提供了新的思路。研究还开发了新的实验方法和分析工具，为未来的单细胞多组学研究提供了参考。