单细胞多组学破解急性淋巴细胞白血病治疗抵抗之谜
编者按：
在早期T细胞前体急性淋巴细胞白血病（ETP-ALL）的治疗领域，传统化疗效果有限，患者面临高复发率和极差的预后。通过整合单细胞转录组测序、染色质可及性测序和传统bulk测序等技术，研究人员揭示了难治性ETP-ALL中“BMP样”细胞群的高度富集及其基因突变机制，开发出精准的风险分层特征基因，并发现了BCL-2抑制剂的巨大潜力。
研究背景
早期T细胞前体急性淋巴细胞白血病（ETP-ALL）是一种侵袭性血液癌症，复发率高且预后差。传统化疗效果有限，亟需新的治疗策略。本研究利用单细胞多组学技术，揭示了类似于造血干细胞的“BMP样”细胞群在难治性ETP-ALL中的富集现象，并基于BMP样特征，开发了可用于风险分层的特征基因集和潜在的BCL-2抑制剂治疗方案，为改善患者预后提供了新方向。
文章详情
文章题目：A multiomic atlas identifies a treatment-resistant, bone marrow progenitor-like cell population in T cell acute lymphoblastic leukemia
中文题目：多组学图谱鉴定T细胞急性淋巴细胞白血病中具有治疗耐药性的骨髓祖细胞样细胞群
发表时间：2024.11
期刊名称：Nature Cancer
影响因子：23.5
实验平台：10x Genomics单细胞转录组测序+染色质可及性测序+bulk转录组测序
DOI：10.1038/s43018-024-00863-5
研究结果
1.多组学发育图谱定义T-ALL细胞停滞
为了理解早期T细胞前体急性淋巴细胞白血病（ETP-ALL）中治疗抵抗的机制，研究团队采用了单细胞RNA测序（scRNA-seq）、染色质可及性测序（scATAC-seq）以及bulk转录组和表观遗传数据等多种组学技术，构建了详细的T-ALL细胞发育停滞图谱。通过整合这些多组学数据，研究人员能够精确定义T-ALL细胞在不同发育阶段的停滞状态。结果显示，与非ETP患者相比，ETP-ALL患者的初始化疗反应较差，表现为较低的缓解率和较高的微小残留病（MRD）阳性率。研究发现，这些患者的肿瘤细胞中存在一种类似于造血干细胞和多能祖细胞状态的“BMP样”细胞群，其比例与治疗效果和生存率密切相关。此外，完全缓解的ETP患者主要表现出向T细胞谱系特化的细胞状态，而BMP样细胞则保留了多谱系潜能。
Fig1. 与人类造血有关的 T-ALL 亚型的停滞状态
2.BMP样原始细胞在难治性ETP-ALL中高度富集
为了解决难治性ETP-ALL中治疗抵抗的问题，研究团队分析了难治性和复发性ETP-ALL患者的样本，利用单细胞测序技术揭示了这些患者中BMP样原始细胞的高度富集现象。结果显示，BMP样原始细胞在难治性ETP-ALL患者中显著增加，这些细胞表现出类似造血干细胞和多能祖细胞的状态，具有多谱系分化潜能。研究还发现，BMP样细胞的比例与治疗反应和预后密切相关，表明它们可能是导致治疗抵抗的关键因素。这一发现强调了针对BMP样细胞开发新型治疗策略的重要性。
Fig2. ETP-ALL 的治疗耐药性与 BMP 样细胞群体有关
3.不同突变驱动BMP样和T特化状态
为了探究BMP样和T特化ETP原始细胞是否由不同的基因突变驱动，研究人员结合单细胞表型数据与结构变异和单核苷酸变异（SNV）调用，识别出这两种细胞状态的相关驱动因素。结果表明，BMP样白血病携带能够驱动HOXA簇高表达的融合产物，如MLLT10、KMT2A等，并且反复出现转录因子和信号通路突变；而T特化白血病则包含ZFP36L2融合、TLX1和TLX3突变，以及T细胞谱系调节器如IL7R、NOTCH1和RUNX1的突变。特别地，所有因疾病死亡的ETP患者均携带与BMP样相关的融合基因。研究还揭示了NOTCH1突变在T细胞发育停滞中的关键作用及其作为预后生物标志物的重要性。
Fig3. 与T特异性和BMP样相关的不同突变谱
4.BMP样遗传特征对非ETP-ALL进行风险分层
鉴于BMP样细胞对常规T-ALL治疗的高度抵抗性，研究团队假设类似的未分化亚群可能也在非ETP-ALL的治疗抵抗和复发中起作用。通过分析非ETP队列的bulk RNA-seq数据，研究人员发现了显著的分化状态差异，并通过单细胞多组学数据验证了这一发现。结果显示，MRD阳性的非ETP-ALL患者富集了BMP样细胞，而完全缓解的患者则富集了更成熟的T细胞状态。基于此，研究开发了一套包含17个标记基因的BMP-17特征基因集，可以独立于MRD对非ETP-ALL患者进行风险分层。进一步的研究表明，BMP样细胞在复发时也显著富集，强调了该特征基因集在临床应用中的潜在价值。
Fig4. 17基因BMP样特征基因集可预测所有T-ALL亚型的总生存期
5.BMP样原始细胞对BCL-2抑制剂具有独特敏感性
针对BMP样细胞群体普遍存在于治疗抵抗性T-ALL病例的情况，研究团队开发了一套靶向治疗发现流程，旨在找到针对BMP样细胞的治疗方法。通过计算筛选和药物测试，研究确定了几种可能的治疗靶点，包括表面蛋白、稳态酶、信号传导分子和转录因子。其中，BCL-2抑制剂venetoclax在体外实验中对BMP样细胞显示出强效活性。随后的体内疗效研究表明，venetoclax在高BMP PDX模型中对疾病的清除效果强，而在低BMP模型中效果有限。这些结果支持了进一步临床测试BCL-2抑制剂用于难治性BMP样T-ALL的必要性，为这类患者的治疗提供了新的方向。
Fig5. 针对BMP样细胞的靶向治疗的提名和临床前验证
主要结论
本研究将肿瘤亚群与临床结果联系起来，创建了健康儿童造血过程的图谱，并对40例不同T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL）病例进行了单细胞多组学分析。研究发现了一种类似骨髓祖细胞（BMP）的白血病亚群，该亚群与治疗失败和较差的整体生存率相关。从单细胞中获得的BMP样原始细胞的分子特征可以预测多种T-ALL亚型的不良预后，并揭示NOTCH1突变会进一步推动T-ALL原始细胞远离BMP样状态。通过计算机模拟和体外药物筛选，发现了BMP样原始细胞对诱导凋亡药物的治疗脆弱性。总体而言，我们的研究建立了用于快速风险分层和高危T-ALL靶向治疗的多组学特征。
> 参考文献：
Xu, Jason et al. “A multiomic atlas identifies a treatment-resistant, bone marrow progenitor-like cell population in T cell acute lymphoblastic leukemia.” Nature cancer, 10.1038/s43018-024-00863-5. 25 Nov. 2024.
