利用单细胞测序探究糖尿病和癌症的潜在机制

单细胞测序技术让研究人员能够在单个细胞水平上研究复杂的生物系统。通过这种方法，他们可以详细了解细胞功能、通讯以及疾病状态下的变化。

在Biocompare和SEQanswers联合举办的网络研讨会上，几位专家介绍了他们如何利用单细胞技术来研究2型糖尿病和中枢神经系统肿瘤的潜在机制。

2型糖尿病中的β细胞功能障碍

杰克逊实验室的研究人员利用单细胞RNA测序技术绘制了人类胰岛的细胞特异性基因表达变化，旨在更好地了解2型糖尿病（T2D）。这些胰岛细胞分泌胰岛素和胰高血糖素来调节血糖水平，它们与2型糖尿病的发生和发展密切相关。

据杰克逊实验室的Khushdeep Bandesh介绍，在这项研究中，他们探究了基因表达和胰岛细胞比例如何随糖尿病状态而变化，并确定了β细胞功能障碍的潜在因素¹。

他们详细分析了48名供体的245,878个细胞，包括17名非糖尿病患者（ND）、14名糖尿病前期患者（PD）和17名糖尿病患者（T2D）。Bandesh解释说，无监督的转录组聚类分析鉴定出14种胰岛细胞类型以及激素相关通路中富含的特征基因。

在T2D供体中，产生胰岛素的β细胞明显减少。这相当于功能性β细胞数量减少了25-30%，原因是β细胞总数减少以及向衰老亚群转移。然而，α细胞的比例却增加了，这可能反映了代偿效应。

对β细胞的详细分析表明，所有供体中存在八种不同的亚型。在T2D样本中，一种与胰岛素分泌相关的β细胞亚型减少了，而另一种以衰老为特征的亚型则增加了。这些变化共同导致β细胞减少。

在评估细胞比例后，研究人员开展了差异表达分析，发现T2D β细胞中有511个基因发生了改变，其中316个基因上调，195个基因下调。约三分之二的基因之前未与T2D相关联。随后的通路分析表明，参与神经元信号传导的基因表达较高，而与激素调节和脂质代谢有关的基因表达较低。

有意思的是，在T2D供体的β细胞中，神经受体基因的表达增加，这表明神经内分泌调节发生了紊乱。下调的基因包括参与维生素A代谢的基因，它们与β细胞的存活有关。在EndoC-βH3细胞中开展的功能研究证实了这几个基因在胰岛素分泌和细胞存活中发挥作用。

为了强化他们的结果，研究团队交叉引用了大规模基因组学研究的遗传数据，将已知的T2D风险变异与β细胞内的特定基因表达变化关联起来。在近2万个T2D相关变异中，有461个变异与β细胞的41个差异表达基因（DEG）有关。此外，还有27个基因与疾病风险相关，表明它们是后续研究的潜在靶点。

根据蛋白质组数据和小鼠基因敲除表型，他们进一步完善了这份清单。小鼠基因敲除数据显示，β细胞的13个DEG导致血糖缺陷，进一步证明了它们在葡萄糖调节中的潜在作用。根据转录组、蛋白质组、遗传和功能数据集，他们总共鉴定出92个DEG可作为高优先级靶点。

总的来说，这项研究发现，2型糖尿病患者的功能性β细胞数量减少了25-30%，其原因是β细胞总数减少，并向衰老亚群转移。约66.5%的差异表达基因之前未曾报道过，这些基因与神经传递的改变有关。他们提名β细胞的92个差异表达基因作为后续研究的潜在靶点。

脑脊液的免疫分析揭示癌症特征

之后，西班牙国家基因组分析中心的Paula Nieto和Juan Nieto从不同方面介绍了他们对中枢神经系统肿瘤和软脑膜病变患者的脑脊液分析。利用多组学方法，他们能够表征中枢神经系统（CNS）淋巴瘤、胶质母细胞瘤（GB）和脑转移瘤（BrM）的免疫动态²。

研究人员首先收集了脑脊液、血液样本和大脑活检样本。脑脊液围绕着大脑和脊柱，可作为追踪中枢神经系统肿瘤的诊断工具，因此特别有用。在收集样本后，他们开展了单细胞RNA和TCR测序、空间转录组学分析以及游离DNA的纳米孔测序。

初步分析显示，脑脊液样本具有疾病特异性的免疫模式，具体取决于肿瘤类型或炎症。CNS淋巴瘤样本富含细胞毒性、耗竭前体和耗竭T细胞，表明存在抗肿瘤免疫反应。相反，BrM和GB样本主要由髓系细胞群组成，包括血液来源的单核细胞和CNS驻留的巨噬细胞，它们具有抗炎或代谢转移表型。

接下来，研究团队利用TCR测序数据追踪了血液和脑脊液中的T细胞克隆扩增。在脑脊液中发现的大多数扩增克隆在外周血中也能检测到，表明T细胞在外周激活并迁移到中枢神经系统。不过，脑脊液中的扩增程度较高，TCR多样性较低，表明出现针对CNS抗原的局部扩增。

研究人员接着通过纵向取样研究了脑脊液组分如何随着治疗和疾病进展而变化。在一名患有原发性CNS淋巴瘤的患者身上，单细胞分析检测到耗竭CD8+克隆的扩增，甚至在患者接受大剂量类固醇治疗时也是如此。

在另一名伴有脑转移瘤和软脑膜病变的乳腺癌患者中，脑脊液中的肿瘤细胞出现了克隆演化，包括在治疗过程中出现了耐药克隆，并显示出血管生成和分化基因特征。

髓系细胞群的单细胞分析则揭示了与肿瘤类型相关的独特模式。CNS淋巴瘤和炎症病例显示出血液细胞的高度浸润，而GB和BrM样本则含有更多的巨噬细胞。基因模块分析表明，髓系细胞发生了代谢重塑。

空间转录组学分析证实，脑脊液的免疫特征与相应CNS病变的细胞环境密切相关。这种重叠在T细胞群体上最为明显，意味着T细胞在组织和脑脊液中的频繁活动，而髓系细胞则表现出更多的局部功能转移。

总的来说，这些结果表明，脑脊液的免疫特征可能反映了中枢神经系统中难以接近的肿瘤环境。这项研究还提供了一个框架，将液体活检与空间和单细胞技术相结合来监测免疫反应和肿瘤进展。尽管这种方法的临床实用性还有待验证，但相关数据集为研究CNS疾病打下了基础。

参考文献

1. Bandesh K, Motakis E, Nargund S, et al. Single-cell decoding of human islet cell type-specific alterations in type 2 diabetes reveals converging genetic- and state-driven β-cell gene expression defects. bioRxiv. Published online January 22, 2025:2025.01.17.633590. 

2. Nieto P, Klinsing S, Caratù G, et al. Decoding the immune response in leptomeningeal disease through single-cell sequencing of cerebrospinal fluid. bioRxiv. Published online January 27, 2025:2025.01.27.634744.