单细胞多组学与空间转录组学解析p53失活下的跨谱系肿瘤发生机制

这篇研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)、染色质可及性分析(scATAC-seq)、空间转录组等技术，构建了Trp53基因敲除小鼠的全器官单细胞图谱，揭示了p53失活后核糖体蛋白基因(RPGs)上调是跨谱系肿瘤发生的早期关键事件，并阐明了胸腺T细胞淋巴瘤起始阶段的染色质结构确定性破坏特征，为Li-Fraumeni综合征(LFS)的临床干预提供了新见解。

　　

背景

作为关键的肿瘤抑制基因，p53（由TP53编码）的种系失活突变会导致Li-Fraumeni综合征(LFS)，这是一种以早发性全身多组织恶性肿瘤为特征的遗传性癌症易感性疾病。然而，p53的抑癌机制仍不完全清楚。本研究旨在探究p53失活后不同细胞谱系中细胞稳态的破坏和肿瘤发生机制。

方法

研究采用Trp53（编码小鼠p53）敲除小鼠模型，整合单细胞转录组(scRNA-seq)、单细胞ATAC-seq(scATAC-seq)、空间转录组、全基因组测序(WGS)和CUT&Tag等多组学分析，构建了Trp53功能细胞图谱。基于深度学习的基因网络模型用于重建p53调控网络并模拟p53缺失引起的扰动。

结果

1. Trp53功能单细胞图谱的构建

研究收集了16只Trp53敲除(KO)小鼠和6只野生型(WT)小鼠的20种组织样本，通过优化的Microwell-seq技术获得了1,196,827个单细胞的转录组数据。细胞被分为143个主要簇，涵盖上皮、免疫、基质等9大谱系。胸腺T细胞、B细胞、成纤维细胞和乳腺上皮细胞中鉴定出肿瘤细胞群，这些细胞表现出拷贝数变异(CNV)增加和分化可塑性升高。

2. 跨谱系肿瘤发生的共同特征

研究发现，p53缺失后，核糖体蛋白基因(RPGs)的上调是跨谱系肿瘤发生的早期共同事件。在胸腺T细胞、B细胞、成纤维细胞和上皮细胞中，均观察到80个RPGs的同步上调。这些变化伴随着细胞周期调控、应激反应、代谢重编程和免疫调节等关键通路的改变。

3. 胸腺肿瘤起始T细胞的鉴定

通过空间转录组和伪时间分析，研究鉴定出一群胸腺肿瘤起始T细胞，其特征是Cdkn2a⁺、RPGs高表达和染色质结构确定性破坏。这些细胞位于胸腺外周区，表现出Notch信号通路激活和T细胞受体(TCR)基因表达缺失。全基因组测序显示，这些细胞在4、5、14和15号染色体上有重复性增益，在6、10和17号染色体上有缺失，包含MYC等癌基因的扩增和RASSF5等抑癌基因的缺失。

4. 表观遗传特征

通过优化的Microwell scATAC-seq技术，研究获得了288,242个单细胞核的染色质可及性数据。分析发现，肿瘤细胞中AP-1转录复合体(如JUN、FOS)和Wnt通路相关基因的可及性增加。整合WGS数据发现，非编码区的单核苷酸变异(SNVs)可能通过破坏转录因子结合位点(如HOXD11、IRF1)或创建新的位点(如RUNX2)来影响基因调控。

5. p53调控网络的解析

通过整合scRNA-seq、scATAC-seq和CUT&Tag数据，研究鉴定了2473个p53直接靶基因，包括已知靶点CDKN1A、DUSP1等。这些靶基因富集在代谢、免疫应答、发育等过程中。研究发现p53通过直接调控部分RPGs（如RPS27L）和间接调控（通过转录因子如JUNB、EGR1）来影响核糖体生物合成。基于GeneFormer框架开发的MouseFormer模型验证了这些调控关系。

讨论

这项研究首次在生物体尺度上构建了p53缺失的单细胞多组学图谱，揭示了RPGs上调是跨谱系肿瘤发生的保守早期事件。胸腺T细胞淋巴瘤的起始与染色质结构破坏和Notch信号激活相关，而外周T细胞、B细胞、成纤维细胞和上皮细胞的肿瘤发生则表现出谱系特异性特征。这些发现为理解p53失活突变相关的肿瘤易感性提供了宝贵资源，并为开发临床拦截策略奠定了基础。研究还提示，靶向核糖体生物合成或p53调控的转录因子可能是干预p53缺失相关肿瘤的潜在策略。