课程准备--基因组与单细胞空间多组学

作者，Evil Genius

93阅兵，大家看了没？

基因组与单细胞空间多组学的内容，我相信大家都不陌生了，发表的文章已经很多了，其中不乏顶刊。

其实在单细胞组学上进行适度的扩展，文章质量会提升一个档次。

昨天跟新格元的周运来（市场总监）聊了几句，单细胞现在下沉的很厉害，本科毕业都用单细胞数据了，可见越普遍化，发文就越难。扩展多组学也就成了必需，不知道大家准备好了没？技能往往是要先课题一步的。尤其测了WES + 单细胞 （+ 空间）的同学，数据已够，如何联合分析，就看大家自己了。尤其分析癌症，所谓的癌症微环境、转移等等，更多的要结合基因组 + 转录组来解决问题。

大家在做肿瘤单细胞空间研究的过程中，有没有深入的理解癌症的发生，发展，以及识别出其中的癌症干细胞呢？尤其是大家分析肿瘤单细胞数据，其中癌细胞的转录特征：癌症细胞在新陈代谢上有何不同，缺氧和肿瘤环境，血管生成等等之间的联系，一般需要从更深次的单细胞 + 多组学来研究。

如果大家能从基因组 + 转录组的角度来分析癌症的单细胞空间数据，相信文章的质量会有一个很大的提升。

癌症是不受调节的细胞分裂的结果。癌细胞在他们不应该分裂时分裂，不应该停止分裂时不停止，应该凋亡时不凋亡。在最坏的情况下，癌细胞离开它们出现的区域并且转移到身体的其他部分。

癌症发展的阶段

从单个基因突变的细胞发展为肿瘤是一个逐步发展的过程。以下描述的过程适用于实体瘤，例如上皮肿癌或肉瘤。 血细胞肿瘤的发展也经历类似的过程，但由于血细胞可以自由漂浮，它们不被限制于体内的固定位置上。

• 增生 - 变异的细胞以不受控制的方式分裂，导致该组织区域中的细胞数过量。 细胞仍有正常的外观，但是数量太多！

• 结构异常 - 增生细胞中更多的基因变化导致越来越异常的生长。 细胞和组织看起来不再正常。 细胞和组织可能变得无序。

• 原位瘤 - 更多的变化使细胞和组织变得更加异常。 细胞现在更大的区域内扩散，并且涉及的组织区域内主要包含变异的细胞。这些细胞往往“退化”或获得更原始的能力。 例如一个肝脏细胞不再产生具有肝脏特异性的蛋白质。这种类型的细胞是去分化的或“退行的”。 原位生长的关键是细胞停留在初始位置内，并且尚未穿过基底层以侵入其他组织。 这种类型的癌症通常可以通过手术完全治愈，因为异常细胞都在同一位置。

这种类型的肿瘤还没有侵入邻近组织。 基于相似病例和显微镜检查，这类生长通常被认为具有获得侵袭性的潜力并且被视为恶性生长来治疗。

• 癌症 (恶性肿瘤)- 这些肿瘤具有侵入周围组织和/或扩散（转移）到组织外部区域的能力。这些转移性肿瘤是最危险的，占很癌症死亡病例的。 接下来的几节将详细介绍一些变化和能力，它们使得癌细胞形成大的肿瘤组织和转移到身体其他部位。

一些肿瘤不会发展到侵入远处组织的程度。这种肿瘤被认为是良性的。 因为它们不扩散到其初始位置之外，所以它们不被认为是癌性的。 良性肿瘤不如恶性肿瘤致死率高，但它们仍然可能导致严重的健康问题。 大的良性肿瘤可能对器官施加压力并引起其他问题。 在脑肿瘤的情况下，颅骨内空间是有限的，这意味着脑腔中大型肿瘤生长可能是致命的。

癌症干细胞：癌症干细胞（CSC）被认为是由正常干细胞产生的。 有时，遗传变化或突变损害正常干细胞，阻止它们正常运作。 如果这种不正常的功能包括不受控制的复制，则正常干细胞具有形成肿瘤的能力; 它现在成为了癌症干细胞。

我们来看看癌细胞的一些特征

癌症细胞在新陈代谢上有何不同

不同于健康细胞 “燃烧” 整个分子的糖来捕获大量的能量来产生ATP，癌细胞可以说是浪费的。癌细胞只部分分解糖分子。它们过度使用呼吸作用中的第一个步骤，糖酵解 (glycolysis)。它们经常不完成第二个步骤，氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)。这导致每个葡萄糖分子只能用于产生两分子的ATP，而不是像健康细胞一样产生大约36个ATP。其结果是，癌细胞需要使用更多糖分子来获得足够的能量来生存。

缺氧和肿瘤环境

肿瘤内的环境对于正常细胞来说是“有压力”的。血管（脉管系统）在肿瘤内没有适当地形成，并且经常扭曲和复杂缠绕着。这种有缺陷的结构导致输送氧气的能力变差，从而产生酸性环境。异常血管分布的另一结果是，肿瘤的某些部分离血管太远而无法得到足够的营养和氧气。随着肿瘤不断增大，他们可能因生长过快而得不到足够的血液供应。这导致肿瘤内的部分氧气含量降低或缺氧 (hyoxic)。那些仅使用糖酵解 (glycolysis) 的细胞不依赖氧气生存。这可能有利于肿瘤细胞是在氧气含量低的环境中生存。

为了应对缺氧的条件（亦称为缺氧 hypoxia），缺氧诱导因子1-α（HIF1-α）被激活。HIF1-α 蛋白增加糖酵解 (glycolysis) 的速率, 并降低在正常细胞中看到的血糖转化率。缺氧 (hypoxia) 和 HIF1-α的激活会引起一些问题。低氧环境帮助癌细胞生产TWIST，一种在转移 (metastasis) 中起重要作用的蛋白质。从而促进细胞运动和癌症扩散（转移)。TWIST的激活导致癌细胞移动和侵入邻近组织。上皮细胞变成一种更容易移动细胞的过程，称为上皮-间质转化 (EMT)。随着移动能力的增强，EMT使细胞获得额外的“原始”功能来帮助保护癌细胞和提高肿瘤的扩散速度。

血管生成

即使癌细胞是异常的，它们仍然需要氧气和营养物质。 血管的发展是肿瘤生长中的必要步骤。 在没有血管的情况下，肿瘤不能生长到大于一英寸。当肿瘤中细胞周围的区域开始变得离血管太远时，氧气和营养物质的含量开始下降。 氧气的减少也称为缺氧 (hypoxia)。 缺氧引发肿瘤细胞的行为变化。

肿瘤细胞产生（或引起附近细胞产生）刺激血管形成的生长因子。 不产生（或引起其他细胞产生）血管生成因子的肿瘤不能生长。 研究最多的血管生成因子之一，是血管内皮生长因子（VEGF）。 VEGF或由肿瘤细胞或附近细胞产生的其它血管生成因子可引起滋长肿瘤生长的血管生成。 因为VEGF是形成血管的一种细胞的正常信号，所以它们只是在做它们自己的工作。 肿瘤“欺骗”身体去创造新的血管。以这种方式产生的血管与正常血管不完全相同。 它们通常不如正常血管那样有组织性并且比正常血管更容易渗漏。

肿瘤和宿主细胞的相互作用(单细胞空间主要研究的内容)

肿瘤微环境

肿瘤的微环境由四部分组成：

• 癌细胞
• 非癌细胞
• 分泌可溶性因子
• 非细胞，固体物质 肿瘤微环境的真是成分是高度可变的。

肿瘤微环境内部情况

• 低氧水平（缺氧），酸性环境（低pH）和低糖（葡萄糖）水平在肿瘤中是很常见的。
• 肿瘤微环境内的情况既影响癌症细胞也影响正常的细胞。
• 肿瘤周围的组织通常也是杂乱无章的。

炎症细胞和癌症

• 免疫系统可能促进或者抑制肿瘤生长。
• 许多癌症都和慢性炎症有关，慢性炎症会激活先天免疫系统细胞。
• 巨噬细胞分泌的因子可以促进肿瘤细胞分裂，入侵和血管形成。

成纤维细胞和癌症

• 成纤维细胞是细胞基质的主要成分。
• 成纤维细胞行为的改变与肿瘤发展有关。
• 成纤维细胞产生的间质金属蛋白酶（MMPs）降解细胞外基质。
• MMPs是癌症产生，转移和血管形成的关键因素。

外来体和癌症

• 外来体由癌症细胞或其他细胞分泌的被膜包裹的小囊泡
• 外来体携带蛋白质和核酸 当外来体被运输到远处的身体部位时，它们可以改变免疫反应和/或增强癌症的传播

肿瘤基质和转移

• 种子和土壤假说：特定的肿瘤细胞（种子）只能占据特定的具有合适生长环境的远处组织（土壤）
• 特异性转移的发生有两个必要条件：1）形成合适的着陆点，和2）肿瘤细胞中特定基因的表达。
• 肿瘤细胞可能侵入新的组织，但不“占领”它。 其原因目前还未知的。 这些细胞被认为是“休眠”癌细胞。

最后我们来分享一下关于检测突变的分析方法

期待我们一起扩展一些这部分内容，报名链接在生化小课---基因组与单细胞空间多组学​

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