《Nature》：Acquired genetic and cell-state changes in IDH-mutant glioma progression
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异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变型胶质瘤是主要发生在早中期成人的恶性脑肿瘤，经治疗后几乎均会复发。然而，治疗过程中驱动IDH突变型胶质瘤进展的遗传与细胞状态变化仍不完全清楚。研究人员整合了来自35例患者共75例时序分离胶质瘤的单核转录组谱、染色质可及性谱及批量DN
异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变型胶质瘤是主要发生在早中期成人的恶性脑肿瘤，经治疗后几乎均会复发。然而，治疗过程中驱动IDH突变型胶质瘤进展的遗传与细胞状态变化仍不完全清楚。研究人员整合了来自35例患者共75例时序分离胶质瘤的单核转录组谱、染色质可及性谱及批量DNA和RNA测序数据，涵盖少突胶质细胞瘤和星形细胞瘤两种IDH突变型胶质瘤亚型。结果显示，恶性细胞状态在转录水平上类似于正常胶质-神经元谱系发育阶段或反应性间充质样状态，与既往描述的IDH野生型胶质母细胞瘤状态相似。两种IDH突变型胶质瘤的恶性细胞状态均表现出独特的染色质可及性谱。低分化恶性细胞的比例随肿瘤级别升高及PDGFRA扩增等遗传改变而增加。纵向分析揭示了两种主要的恶性细胞状态转换模式：首先，复发时谱系分化减少和增殖性恶性细胞增加，富集于获得复发相关遗传事件的胶质瘤中，这些事件包括治疗相关超突变、拷贝数改变增加和细胞周期改变；其次，间充质样状态比例的增加独立于获得的遗传改变，而是与巨噬细胞表达升高相吻合。总体而言，本研究提供了一个整合模型，追踪了IDH突变型胶质瘤疾病进展过程中塑造细胞状态的细胞内源性及细胞外源性因素。
研究背景与意义
异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变定义了成人型弥漫性胶质瘤的一个特定亚群，具有独特的分子、组织学和临床特征。根据2021年世界卫生组织（WHO）分类，IDH突变型胶质瘤主要分为两类：IDH突变且1p/19q共缺失的少突胶质细胞瘤，以及IDH突变型星形细胞瘤。尽管接受了手术切除、化疗和放疗，这两类肿瘤最终都会复发，导致显著的发病率和死亡率。既往研究表明，治疗抵抗可能源于瘤内细胞异质性、获得的遗传和表观遗传畸变，以及髓系细胞群的转移。然而，对于这些因素如何相互作用并影响IDH突变型胶质瘤进化路径的理解仍存在空白。为了填补这些空白，研究人员旨在通过其“抵抗与进化的细胞分析”（CARE）联盟，建立IDH突变型胶质瘤治疗反应和肿瘤进化的全面图谱。该研究发表于《Nature》，通过多时间点采集的样本进行多组学单核分析，绘制了IDH突变型胶质瘤在疾病进展过程中的轨迹，并强调了恶性细胞状态如何受表观遗传学、遗传学、微环境和治疗的共同塑造。
关键技术方法
研究人员收集了35例患者的75例纵向胶质瘤样本，包括13例少突胶质细胞瘤和22例星形细胞瘤，每个患者至少有两个时间点（初始和复发）。样本经过严格的质控和匹配分析。主要技术方法包括：单核RNA测序（snRNA-seq）用于评估细胞异质性；同时进行的单核染色质可及性（snATAC）分析用于评估表观遗传变化；批量DNA测序（DNA-seq）和RNA测序（RNA-seq）用于分析遗传改变和基因表达。此外，研究人员还利用了外部数据集（如TCGA和GLASS）进行验证，并采用了非负矩阵分解（NMF）框架来识别恶性基因表达元程序（metaprograms），从而定义恶性细胞状态。功能实验方面，研究人员对患者来源的IDH突变型胶质瘤球形成细胞（GSCs）进行了基因（如CRISPR靶向CDKN2A）和药物（如靶向PDGFRA的抑制剂）扰动，并结合单细胞RNA测序进行分析。
研究结果
CARE IDH突变型队列
研究人员建立了一个包含35例患者75例样本的纵向队列，涵盖了两种主要的IDH突变型胶质瘤亚型。通过多组学分析，发现IDH突变在纵向样本中稳定保留，肿瘤纯度在两个时间点相当。复发时，突变负荷显著增加，特别是在接受烷化剂治疗的患者中观察到治疗相关的超突变（hypermutation）。此外，复发样本中体细胞拷贝数改变（SCNA）负担、小缺失负担和细胞周期改变（如CDKN2A/B纯合缺失、RB1突变或缺失、CDK4扩增）的频率也增加。这些获得性遗传改变与肿瘤级别的纵向升高密切相关。
纵向snRNA-seq谱
通过对331,056个单核转录组进行质量控制和分析，研究人员将细胞核注释为恶性和非恶性类型。非恶性细胞类型包括少突胶质细胞、髓系细胞、内皮细胞、壁细胞（血管平滑肌细胞和周细胞）和淋巴细胞。研究发现，星形细胞瘤样本中髓系核的丰度更高，而少突胶质细胞瘤样本中壁细胞或内皮核的百分比更高，这与少突胶质细胞瘤典型的“鸡爪样”毛细血管网络组织学特征一致。
恶性状态异质性
应用基于非负矩阵分解（NMF）的框架，研究人员在IDH突变型和IDH野生型胶质瘤中识别出了一致的恶性程序，表明不同胶质瘤类型间存在共享的核心恶性状态。进一步分析确定了五种共识性的IDH突变型恶性状态：少突胶质细胞/少突胶质细胞前体细胞样（OC/OPC-like）、星形细胞样（AC-like）、间充质样（MES-like）、循环状态（cycling）以及未分化状态（Undifferentiated）。其中，未分化状态包含了神经祖细胞（NPC）样状态。这些状态在谱系分化、增殖和代谢上存在差异，例如未分化状态具有最高的循环百分比，而AC-like状态则很少循环。
细胞状态的表观遗传调控
通过分析同时进行的snATAC数据，研究人员证实了这些转录上不同的状态具有独特的表观遗传特征。染色质可及性谱受恶性状态、肿瘤类型（如1p/19q共缺失）、超突变和SCNA负担的影响。转录因子（TF）活性分析显示，在更干性的状态（如NPC样、OPC样和未分化）中，TCF12和ASCL1等神经发生相关转录因子活跃；而在更分化的恶性核中，AP-1复合物成员（如JUN、FOS）和STAT3活性较高，这些因子与损伤应激反应和IDH野生型MES样状态相关。随着肿瘤级别升高，即使在非MES样核中，AP-1成员（如JUND）的活性也增加，表明晚期疾病存在染色质状态转变。
进展中分化减少
研究发现，随着肿瘤级别的升高，分化的AC-like细胞比例显著下降，而MES-like、未分化和循环细胞比例增加。这种等级相关的变化在不同肿瘤类型中均得到验证。纵向分析显示，复发时MES-like、未分化和循环状态显著增加，AC-like减少，这与级别差异相似。重要的是，向低分化和高增殖转变主要由获得“复发相关遗传改变”（如超突变、SCNA增加、小缺失增加或细胞周期改变）的样本驱动。而未获得这些遗传改变的样本中，MES-like状态的增加则与巨噬细胞丰度升高相关，而非遗传改变。
遗传学与肿瘤间状态变异
特定的不良预后相关遗传驱动因素，如CDKN2A纯合缺失、PDGFRA扩增和治疗相关超突变，与肿瘤间的细胞状态差异相关。例如，伴有CDKN2A纯合缺失或PDGFRA扩增的4级星形细胞瘤分别表现出循环和未分化群体的升高。治疗相关的DNA超突变样本则表现出未分化群体扩张和AC-like群体减少。
遗传学与瘤内状态变异
研究人员进一步探讨了克隆内遗传异质性如何影响单个样本内的细胞状态。在治疗相关DNA超突变样本中，具有高C>T突变负担的细胞核表现出更低的分化水平。同样，在PDGFRA扩增的细胞核中，AC-like减少，循环比例增加。功能实验证实，在PDGFRA扩增的细胞系中用抑制剂（如达沙替尼和CP-673451）靶向PDGFRA通路，可减少活细胞数量，并促使细胞状态从未分化群体向星形细胞谱系（即分化状态）转变。CRISPR靶向敲除CDKN2A也显示出向低分化状态转变的趋势。
免疫互作塑造MES-like状态
MES-like状态在复发时的增加与治疗无关，而是与肿瘤微环境（TME）相关。研究人员重点分析了髓系区室，将其分为小胶质细胞样（MG-like）、炎症性髓系、骨髓来源巨噬细胞（BMDM-like）和MHC-II高表达群体。高级别样本和复发样本中巨噬细胞丰度增加，小胶质细胞减少，这种变化与放疗治疗显著相关。体外共培养实验证实，与巨噬细胞共培养，特别是经照射后，能显著增加IDH突变型胶质瘤球形成细胞（GSCs）中MES-like状态的丰度。此外，复发样本中高MES-like分数与较差的总生存期相关。
讨论与结论
研究人员通过多时间点采集的多组学单核分析，重建了IDH突变型胶质瘤的多层次进化图谱。研究发现，疾病进展过程中，恶性细胞状态向增殖增加和分化减少的方向转变，这种转变由获得的复发相关遗传改变（如治疗相关超突变）所驱动。除了遗传驱动的转变化，肿瘤微环境影响MES-like恶性细胞状态，尤其是在复发时。MES-like丰度增加和应激反应相关转录因子活性升高，突显了IDH突变型胶质瘤中非遗传进化轨迹的可能性。这些可适应的表观遗传和转录程序可能使细胞能够响应常规治疗后增加的炎症刺激和反应性微环境。总体而言，IDH突变型胶质瘤进展是由相互关联的遗传、表观遗传和微环境因素共同塑造的。未来的研究，包括对突变IDH抑制剂的反应，可以利用这些发现作为参考点，进一步探究IDH突变型胶质瘤进化和治疗反应的模式，以改善患者预后。
