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Nature Genetics | 单细胞视角下的肿瘤增殖密码:SPRINTER精准解析克隆异质性的...

生物探索  · 公众号  · 生物  · 2024-12-02 16:35

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仅保留那些在早期和晚期区域均支持的断点(红色虚线),剔除单侧支持的断点(灰色虚线),确保CNA片段的准确性。 这一步骤的结果是初步定义了由CNA影响的基因组区段。
步骤3:通过统计测试识别S期细胞
通过对每个区段的RDR进行统计置换检验,SPRINTER能够鉴别S期细胞。 在S期细胞中,早期复制区域显示较高的RDR值,而晚期区域显示较低的RDR值。 非S期细胞(G0/G1/G2期)的RDR在复制时序上无显著差异。 此步骤的结果是区分了S期细胞(底部行)和非S期细胞(顶部行),为后续克隆分配奠定基础。
步骤4:基于CNA推导克隆
对所有非S期细胞(G0/G1/G2期),SPRINTER通过其特定的CNA模式(黑色线条)进行分组,并推导出克隆结构。 不同克隆以CNA的特征模式表示,细胞被归为具有相同CNA模式的克隆(彩色条)。 这一步骤的结果是为非S期细胞建立克隆分类。
步骤5:将S期细胞分配到推导的克隆
SPRINTER将每个S期细胞分配到最可能的克隆(Maximum-a-Posteriori,MAP)。 RDR数据经过复制波动的校正后,通过最大后验概率法选择最佳克隆分配(绿色对号)。 结果是所有S期细胞被成功归类到推导的克隆中,并校正了克隆内的CNA模式。
步骤6:识别每个克隆的G2期细胞
SPRINTER通过去卷积分析总读数分布,将G2期细胞与G0/G1期细胞区分开。 G2期细胞具有更高的总读数分布(黑色柱),而G0/G1期细胞的读数较低(浅灰色柱)。 每个克隆的G2期细胞分数被成功量化。

SPRINTER的结果
最终,SPRINTER为每个细胞(行)提供了推导的CNA(颜色块)和细胞周期阶段(S期和G2期比例)。 每个克隆的细胞周期状态被精确估计,包括S期细胞(深灰色条)和G2期细胞(黑色条)的比例。 这一结果为分析肿瘤克隆的增殖模式、异质性及其演化提供了丰富的信息和高分辨率数据支持。


为了验证SPRINTER的可靠性,研究团队设计了一组严谨的实验,包括使用EdU标记和荧光激活细胞分选(FACS)技术生成的8,844个HCT116结直肠癌细胞的地面真值数据。这些数据涵盖了二倍体和四倍体细胞,为SPRINTER的算法性能提供了坚实的实验依据。 与现有方法相比,SPRINTER在S期细胞识别和克隆分配精度上表现出显著提升,其在中晚期S期细胞分类中的准确率比传统方法提高了10%到90%。

在应用方面,SPRINTER被用于分析14,994个非小细胞肺癌(NSCLC)细胞的纵向样本,揭示了肿瘤原发灶和转移灶中克隆间显著的增殖差异。通过与乳腺癌和卵巢癌数据的扩展应用,该方法进一步证实了其在多种癌症类型中的普适性。尤其值得关注的是,SPRINTER还通过复制时序变异(altered replication timing, ART)的分析,揭示了与转移潜力和基因表达调控相关的重要非遗传学特征。

这种创新性方法不仅为揭示肿瘤增殖异质性提供了强有力的工具,也为开发克隆特异性治疗策略打开了新思路,标志着癌症研究从群体平均到个体单细胞解析的转型。


肿瘤内部的“竞赛”:克隆增殖异质性的深度解析
肿瘤内部的细胞克隆并非以相同速度增殖,而是存在显著的异质性。通过SPRINTER算法对14,994个非小细胞肺癌(NSCLC)细胞进行分析,研究团队揭示了克隆间增殖差异的全貌。 SPRINTER能够利用scDNA-seq数据,识别并量化每个克隆中S期和G2期细胞的比例,这些数据是评估克隆增殖活跃度的核心指标。
研究发现,在NSCLC样本中,克隆的增殖活跃度差异极为显著。一些克隆的S期细胞比例是其他克隆的两倍以上,而这些高增殖克隆通常主导了肿瘤的整体动态。例如,在原发肿瘤和转移灶中,SPRINTER识别出的高增殖克隆不仅增殖迅速,而且在细胞数量上占据主导地位。这种现象提示,肿瘤的增殖异质性可能是驱动癌症进展的重要机制之一。






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