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近期好文分享又來啦~
2021年6月23日發表在Nature（IF=42.778）上了一篇關于從單細胞癌癥基因組的時間序列模型推斷克隆細胞群適應性的文章。作者使用單基因組衍生的拷貝數變異事件（CNAs）來定義克隆遺傳基因型，建立了適應性（fitness）的定量測度，以此作為預測多克隆生長潛力的指標。該工作對于預測癌癥的進化、理解導致CNAs的基因組不穩定性過程如何增強適應性、以及分析多克隆癌細胞群耐藥的長期動力學都十分有幫助。
研究背景：
（1）由于缺乏多克隆群體的時間序列單細胞采樣和時間統計模型，對于癌癥基因組適應度景觀（fitness landscape）的定義，特別是那些由拷貝數改變(CNAs)定義的適應度景觀方面的進展一直受到阻礙。
（2）盡管腫瘤的基因組可塑性（genomic plasticity）有充分的文獻證明，但關于CNA如何誘導基因組結構的變化驅動病原學和耐藥性過程的問題仍有待研究。
（3）癌癥領域通常缺乏從患者來源的組織中獲得的、能夠在真實時間尺度上、以單細胞分辨率直接觀察癌癥的測度，這阻礙了對導致自然選擇發生的驅動因素的深入研究。
研究結果：
一、模擬克隆的適應性和選擇：
（1）作者開發了一個實驗和計算平臺，包括三個部分:不死細胞系的時間序列采樣和單細胞全基因組測序 (scWGS) 和PDX；單細胞基因組的可擴展系統發育 (sitka23)；和群體遺傳學的啟發 (Wright-Fisher擴散過程) 模型的適應性 (fitClone)。
（2）使用觀察到的縱向克隆豐度作為輸入，fitClone為群體中的每個克隆i同時估計出生長軌跡(Zi)和適應性系數(si)。該模型可用于預測進化軌跡，其后驗概率密度可反映多克隆系統中正選擇的證據。
二、p-53 缺陷細胞的CNA和適應性：
（1）作者首先將該框架應用于不死的184-hTERT二倍體乳腺上皮細胞系，用來測量與TP53功能喪失相關的克隆特異性適應度。
（2）作者對比了四個時間序列的野生型TP53 (TP53WT) 細胞樣本 (300天60次傳代) 和兩個同基因缺失(TP53???/?)平行分支(TP53???/?a和TP53???/?b)，每個都傳代60代(分別285天和220天)，并取樣7次。
（3）作者推斷了每個樣本的CAN譜，用構建了系統發生樹，以建立克隆譜系，并測量了克隆豐度隨時間的變化。TP53???/?a具有非整倍體基因型的顯著克隆擴增（如圖2a），以及更高的選擇系數，其中創始二倍體克隆被淘汰（如圖2b）。
（4）相對于TP53WT, TP53???/?a和TP53???/?b的非整倍體克隆的擴增率顯著升高，導致二倍體細胞的快速耗盡（如2圖c, P?=?6.72?×?10???4）。此外，與TP53WT設置相比，兩種TP53突變系表現出更高的正選擇后驗概率 (概率大于0.9的克隆對) (如圖2d)。
（5）作者試圖通過實驗來確認與非整倍體增加相關的TP53突變細胞的克隆適應性。因此在de novo群體混合物中用TP53WT二倍體群體挑戰TP53???/?b中具有更高適應性的非整倍體克隆(D和E，以通道X60為主)，并在培養中收集了5代樣本（如圖2e）
（6）scWGS混合物的樣本顯示克隆D和E，分別在群體中單調地從18%上升到35%、從7%到37%，而TP53WT細胞則由75%下降到19%（如圖2f）。
綜上所述，這些結果顯示了一個更廣闊的克隆fitness landscape，總體上較高的適應性包含了TP53突變細胞中產生的整個基因組、染色體和片段性非整倍體。具有高適應性的克隆表現為在人類乳腺癌中常見的原癌基因 (例如MDM4、MYC或TSHZ2) 的高水平擴增，這表明p53的缺失允許癌癥中發揮病因作用的適應性增強的CNAs出現。
三、人類乳腺癌中的適應性建模：
（1）作者研究了4個PDX移植系列中TP53突變的人原發性乳腺癌的時間序列CNA克隆擴張。從一個HER2陽性 (HER2+ SA532) 和三個TNBC (TNBC? SA609, TNBC? SA1035和TNBC? SA535) PDX模型中分別獲得了連續scWGS樣本，采樣時間分別為927,619,381和353天。
（2）系統發育分析表明，所有的PDX模型在CNA水平上都是多克隆的（如圖3）。與HER2+ SA532模型相比，TNBC PDX模型顯示了克隆動力學的證據，選擇系數的變異性與正選擇以及差異的適合度一致（如圖3a）。
（3）對于TNBC? SA609 line 1，作者觀察到6個克隆（如圖3a,b）。克隆E (1 + s = 1.07±0.02) 和 克隆H (1 + s = 1.02±0.02) 的選擇系數最高，在X10時間點生長分別由未檢測到的水平增加到59%和32%。克隆C在初始時間點從近100%減小到X10無法檢測的水平(如圖3c-e)。
四、預測克隆軌跡：
（1）作者通過實驗驗證了適應度系數可以作為正選擇或負選擇的指標。通過使用從原始時間序列中估計的選擇系數來對fitClone進行了正向模擬，并將其與TNBC? SA609 (line 1) 的晚(X8)和早(X3)時間點的物理克隆混合傳代進行比較，在不同的初始啟動條件下進行了兩次混合-重移植-串聯傳代實驗（如圖4b）。
（2）在第一次實驗中，預測E克隆的固定概率最高(0.39)，在第二次實驗中，預測E克隆的固定概率最高(0.14)，預測H克隆的固定概率最高(0.04) (如圖4c)。E是唯一一個頻率增加的克隆(從5%增加到24%)，選擇系數最高(1 + s = 1.02±0.03)。相比之下，克隆C、G和H表現出相對穩定的頻率。因此，兩個混合實驗都證明了預測的最高適合度克隆(E)的擴張，即使是從較低的初始比例(2%或5%的細胞)開始。
五、鉑抵抗的適應性損失：
（1）通過使用CNA克隆特異性適應度這一測度，作者測試了順鉑 (原發性TNBC的標準治療) 藥物治療如何干擾三個PDX系列的適應性。對于每個時間序列，作者建立了一個單獨的順鉑治療分支，逐漸誘導對鉑類化療的耐藥性(鉑耐藥性)。
（2）在每個系列中，處理后的新出現的克隆在系統發育起源上，與未處理環境下的具有高適應性克隆不同，表明克隆的適應性景觀發生了反轉（如圖5a）。
（3）對于在沒有處理的情況下主導的高適應性克隆，抑制它會導致處理樣本相對于未處理樣本的選擇系數的排秩發生了重大改變（如圖5b）。
（4）最后，作者在每個時間點通過藥物假期重復移植來測試提高藥物選擇壓力的效果。觀察到在所有系列中，治療選擇壓力隨藥物假期是可逆的，與鉑抗性的適應性損失一致。
文章小結：
作者對乳腺上皮細胞和原發性三陰性乳腺癌(TNBC)患者來源的異種移植物(PDXs)進行了多年時間序列的單細胞全基因組測序，獲得了42,000個基因組，揭示了由TP53突變和順鉑化療誘導的CNA定義的克隆適應度動態的本質。該研究表明，時間序列適應性映射是一個現實的初步方法，用于研究驅動突變如何通過誘導基因組不穩定而導致克隆擴張和進化選擇的效應。作者描述的從基因上操縱系統的能力，為機械解剖單個CNA區域的適應性效應提供了未來的途徑。此外，藥物干預對CNA驅動的癌癥進化所產生的影響，對于所有人類癌癥患者的臨床結局都是關鍵決定因素，因此想要理解癌癥的治療反應和部署適應性方法，預測癌癥克隆的軌跡至關重要。作者認為，具有化療適應性損失的耐藥基因型的存在可能定義了克隆競爭可利用的時間窗。因此，未來對時間序列腫瘤患者或cell-free DNA群體遺傳學建模的研究可能使evolution-informed的臨床管理方法成為可能。
