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在癌症治疗中，肿瘤异质性及耐药问题严重阻碍治疗效果。研究人员开展 “Transformer-based modeling of Clonal Selection and Expression Dynamics reveals resistance mechanisms in breast cancer” 研究。利用 TraCSED 等方法，揭示乳腺癌耐药机制，为联合治疗提供依据，意义重大。
在癌症的世界里，肿瘤细胞就像一群 “狡猾” 的敌人，它们的转录异质性使得癌症治疗充满挑战。传统观念认为癌症是由基因改变引起的疾病，但越来越多的研究发现，即使是基因相同的细胞，在面对治疗时也会产生不同反应，这种适应性耐药让肿瘤细胞得以存活并继续作恶。而且，现有研究方法在解读多维单细胞转录组数据方面还存在诸多不足，传统方法难以整合纵向数据来深入理解适应性耐药及其潜在的基因程序和发生时间。为了攻克这些难题，来自美国 Genentech Inc 和 UC Santa Cruz 的研究人员展开了深入研究，他们的成果发表在《npj Systems Biology and Applications》上，为乳腺癌治疗带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是 TraCe-Seq 技术，通过对带有克隆条形码的细胞进行单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），追踪分子状态随时间的变化，获取不同处理下细胞的转录轨迹和适应性信息。然后利用部分最小二乘法回归（PLSR）和基于 Transformer 的克隆选择和表达动态建模（TraCSED）两种分析方法。PLSR 用于识别治疗前与先天耐药相关的标记，TraCSED 则通过建立动态模型，结合单细胞 RNA-seq 数据中的伪时间信息，挖掘与适应性耐药相关的基因程序 。
研究结果
- 治疗诱导不同的克隆选择和转录反应：研究人员用选择性雌激素受体（ER）拮抗剂和降解剂 giredestrant，以及 CDK4/6 抑制剂 palbociclib 处理 T-47D 细胞，并在不同时间点进行分析。两种药物处理后，细胞克隆多样性下降，根据 “终点选择值” 可将克隆分为正选择（PS）和负选择（NS）。通过 UMAP 分析发现，两种药物处理均诱导了强烈的转录反应，且处理 26 天后，palbociclib 处理的细胞转录组与基线细胞重叠，而 giredestrant 处理的细胞形成了单独的聚类，反映出其转录状态的明显变化。同时，giredestrant 持续抑制 ER 活性，而两种药物处理后 E2F 阳性评分的细胞比例均恢复到基线水平 。
- PLSR 识别与克隆选择相关的基线特征：由于传统的伪批量差异表达分析和 PCA 聚类无法有效识别与耐药相关的基因，研究人员采用 PLSR 降维方法。结果显示，PLSR 能够更好地分离 PS 和 NS 细胞，识别出如 SNHG25 和 CLDN1 等基线选择标记。其中，高 SNHG25 和低 CLDN1 表达与乳腺癌的耐药相关，CLDN1 还是已知的乳腺癌亚型分类标记，低表达与侵袭性三阴性乳腺癌和复发相关 。
- TraCSED 利用生成模型拟合适应性耐药：为了探索潜在的获得性耐药机制，研究人员开发了 TraCSED 模型。通过计算每个克隆在伪时间上的选择值，并以 Hallmark 基因集作为特征训练模型。结果表明，TraCSED 可以拟合与特定克隆正负选择过程相关的可解释特征，且在预测选择值时，其误差低于多元回归 。
- 模型特征揭示适应性耐药机制：通过对 TraCSED 输入层进行排列，计算特征重要性得分，研究人员发现不同药物处理下与耐药相关的重要特征。在 giredestrant 处理中，上皮 - 间质转化（EMT）基因集对 PS 克隆的选择值预测很重要，且 PS 克隆中 EMT 基因集值较低；在 palbociclib 处理中，E2F 靶点和雌激素反应晚期（ER）特征在特定伪时间范围内对 PS 克隆的选择至关重要，且 ER 活性的增加先于 E2F 靶点基因集值的上升 。
- 联合治疗降低适应性耐药：研究人员对细胞进行 giredestrant 和 palbociclib 联合治疗，发现联合治疗能有效抑制细胞增殖和 ER 活性。大多数在单药治疗中为 PS 的克隆在联合治疗中变为 NS，但有一个克隆仍为 PS。通过 PLSR 和 TraCSED 分析发现，高 SNHG25 和高 SNCG 水平是联合治疗中 PS 克隆的主要标记，且联合治疗中与单药治疗相关的适应性耐药机制不再起作用，表明联合治疗降低了适应性耐药 。
研究结论和讨论部分指出，giredestrant 和 palbociclib 单药治疗部分有效，但会导致克隆选择瓶颈和转录组变化，部分克隆出现正选择。PLSR 能够识别先天耐药标记，TraCSED 则揭示了单药治疗的适应性耐药机制。联合治疗显著降低了适应性耐药，仅剩的 PS 克隆主要由先天耐药机制驱动，其特征为高 SNHG25 和高 SNCG 水平，这与晚期乳腺癌的表型一致。该研究中两种互补的建模方法 —— 基于 PLSR 的先天耐药聚类分析和 TraCSED 的适应性耐药机制研究，为研究和表征非遗传来源的治疗耐药提供了重要依据，有助于推动乳腺癌精准治疗的发展，为未来开发更有效的治疗策略奠定了基础。
