代谢-表观遗传重编程驱动髓母细胞瘤治疗抵抗的单细胞多组学解析

《Nature Communications》：Single-cell multi-omics identifies metabolism-linked epigenetic reprogramming as a driver of therapy-resistant medulloblastoma

本研究针对MYC驱动髓母细胞瘤(MB)治疗抵抗机制，通过单细胞多组学技术分析配对原发与复发肿瘤，发现祖细胞-光感受器样细胞群在复发中扩增，其染色质重构与代谢重编程（特别是IDH1介导的α-KG代谢）密切相关。抑制野生型IDH1可逆转表观遗传改变并恢复放疗敏感性，为靶向治疗抵抗提供了新策略。

　　

在儿童恶性脑瘤中，髓母细胞瘤(Medulloblastoma, MB)是最常见的类型，其中Group 3亚型因MYC基因扩增而具有高转移率和复发风险。尽管当前标准治疗包括手术、放疗和化疗，多数患者仍在一年内复发，导致长期生存率低于5%。肿瘤异质性和细胞可塑性被认为是治疗失败的主要原因，但Group 3髓母细胞瘤在复发时很少出现新的遗传事件，表明非遗传机制可能驱动耐药性。表观遗传重编程和代谢适应在肿瘤细胞抵抗 therapy 过程中扮演关键角色，然而，其具体机制及能否作为治疗靶点尚不明确。

为阐明这些机制，研究人员在《Nature Communications》上发表了最新研究，通过对配对原发和复发髓母细胞瘤样本进行单细胞多组学测序，揭示了代谢关联的表观遗传重编程是 therapy 抵抗的关键驱动力。研究发现复发肿瘤中祖细胞-光感受器样细胞群扩增，并伴随染色质结构和代谢通路的显著改变，其中野生型异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)活性上调是维持抵抗表型的核心。抑制IDH1可逆转表观遗传标记并恢复放疗敏感性，为克服髓母细胞瘤治疗抵抗提供了新的靶向策略。

研究采用的主要技术方法包括：单细胞多组学测序(scMultiome-seq)分析患者配对原发和复发肿瘤样本（n=3对），结合空间转录组学验证细胞状态；建立放疗抵抗的异种移植模型（D458细胞系和MED411 PDX模型）进行体内验证；利用代谢组学、CUT&RUN表观遗传分析和¹³C₅,¹⁵N₂-谷氨酰胺示踪等技术探究代谢-表观遗传互作；通过IDH1抑制剂（IDH305、GSK321、IDH1-13）和基因敲降进行功能干预研究。

scMultiome-seq profiling of matched relapsed and primary MB tumors

通过单细胞多组学测序分析三对Group 3髓母细胞瘤样本，鉴定出20个细胞簇，整合snRNA-seq和snATAC-seq数据后合并为12个主要细胞群。复发肿瘤中祖细胞-光感受器样细胞比例显著增加，而分化神经元样细胞比例不变。空间转录组分析验证了该细胞状态的扩增。基因集富集分析显示复发肿瘤富集于代谢、干性、上皮-间质转化(EMT)和DNA修复通路。关键代谢基因IDH1在祖细胞-光感受器簇中高表达，而其他α-KG生成酶（如GOT1/2、IDH2）多见于分化簇。

Chromatin restructuring in recurrent samples promote a switch in network programming

染色质可及性分析显示，与原发肿瘤相比，复发肿瘤获得598个峰值（富集于染色质沉默和代谢调控通路），丢失1087个峰值（关联氧运输和分化）。基因调控网络(GRN)分析发现，复发肿瘤中FOXP2、FOXD1等网络活性上调，而原发肿瘤以TCF4、BHLHE41为主。祖细胞-光感受器群显示特定的GRN活性（如HOXC10、NRL），表明染色质重构促进了多能性和代谢编程的转换。

Trajectory analysis suggests the amplification of the progenitor_photoreceptor lineage in relapsed Grp3-MB

伪时序轨迹分析显示，原发肿瘤的祖细胞-光感受器样细胞分化为两个命运：分化细胞和循环祖细胞。而在复发肿瘤中，该细胞群主要贡献于循环祖细胞状态的扩增，并伴随NRL、OTX2等标志基因表达的持续升高。染色质可及性在复发肿瘤中沿轨迹广泛开放，支持细胞状态可塑性的增强。

Progenitor_Photoreceptor signature maps to relapse MB

在大型队列（Cavalli和Okonechnikov数据集）中验证祖细胞-光感受器基因特征，发现其与Group 3肿瘤显著相关，且高表达该特征的患者生存率更低。该特征在复发样本中过度表达，并与代谢、缺氧信号通路协同富集，提示其作为复发预测生物标志物的潜力。

Photoreceptor_progenitor populations persist in radiation resistance models

在放疗抵抗的体内模型（D458和MED411 PDX）中，祖细胞-光感受器特征同样富集于抵抗细胞簇，并伴随热休克蛋白（HSPH1、HSPA1B）上调和代谢通路激活。ATAC-seq显示染色质开放区域与代谢过程、模式规范和表观遗传修饰相关，模拟了患者复发样本的峰值分布。

Disruption of IDH1 activity suppresses radiation resistance and MB proliferation by inhibiting reductive glutamate carboxylation

代谢组学显示放疗抵抗细胞消耗葡萄糖和乳酸更快，富含IDH1相关代谢物（如柠檬酸）。敲降或药物抑制IDH1（使用IDH305、GSK321、IDH1-13）可降低α-KG水平、ALDH+干细胞比例和自我更新能力，并增强放疗敏感性。外源α-KG可逆转IDH1抑制效应，证实IDH1-α-KG轴在抵抗中的核心作用。谷氨酰胺示踪实验进一步表明IDH1抑制阻断了谷氨酸作为碳源的再利用。

Epigenetic restructuring in radiation-resistant cells triggers bivalency at pluripotent gene promoters, which are partially restored to the parental state by IDH1 inhibition

CUT&RUN分析揭示放疗抵抗细胞中H3K4me3启动子占有率下降，而H3K27ac和H3K27me3在启动子区域富集，形成双价染色质状态（bivalency），涉及Hippo、TGFβ信号和代谢基因。IDH1抑制可逆转这些表观遗传改变，降低H3K27me3水平并恢复亲本细胞的染色质状态。ATAC-seq证实IDH1抑制减少祖细胞-光感受器特征基因（如NFE2L1、SOX11）的染色质可及性。

Secondary radiation therapy combined with IDH1 inhibition, extends survival benefit of radiation alone

体内实验显示，IDH1敲降或抑制剂IDH1-13联合放疗可显著延缓肿瘤生长并延长小鼠生存期。 flank 肿瘤模型中，IDH1-13治疗使肿瘤体积减少，且联合放疗效果更优，证实靶向IDH1的 therapeutic 潜力。

本研究通过多组学整合分析，揭示了髓母细胞瘤治疗抵抗中代谢-表观遗传轴的 core 作用。复发肿瘤依赖祖细胞-光感受器样细胞群的扩增，其染色质重构激活了IDH1-α-KG驱动的代谢重编程，进而通过修饰组蛋白标记（如H3K4me3/H3K27me3双价性）维持干细胞特性和耐药性。靶向野生型IDH1可逆转这一过程，为临床克服放疗抵抗提供了新策略。研究不仅深化了对肿瘤细胞可塑性机制的理解，也凸显了单细胞多组学技术在解析肿瘤异质性和识别治疗靶点中的强大能力。未来需进一步验证IDH1抑制剂在髓母细胞瘤患者中的疗效，并探索其与其他疗法的联合应用。