2018年11月30日，國際頂級學術期刊《科學》（SCIENCE, IF=41.058）正式發表了北京大學第三醫院付衛團隊、喬杰團隊和北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬團隊合作研究成果“Single-cell Multi-omics Sequencing and Analyses of HumanColorectal Cancer”（人類結直腸癌的單細胞多組學測序研究）。

該研究在國際上首次從單細胞分辨率、多組學水平深入解析了人類結直腸癌在發生和轉移過程中，基因組拷貝數變異、DNA甲基化異常及基因表達改變的特點及相互關系，為結直腸癌的轉移機制研究指出了新的方向，為轉移性結直腸癌的臨床治療提供了新的理論依據。

目前在結直腸癌的治療中最大的挑戰是腫瘤對藥物的耐藥性，而耐藥性產生的根本原因是腫瘤的內部異質性，即在腫瘤進展過程中出現了新的基因突變、表觀遺傳學改變以及基因表達的改變，導致同一腫瘤中存在多種不同的腫瘤細胞類型，產生對不同藥物的抵抗性。傳統整塊組織測序得到的信息是包括了多種腫瘤細胞、間質細胞以及免疫細胞在內的成千上萬個細胞信息的整合，并不能得到特定類型腫瘤細胞的精確信息，以致無法深入解析腫瘤內部異質性。近年來高速發展的單細胞測序技術雖然補充了整塊組織測序的這一缺陷，但是大多單細胞測序工作僅針對單一組學進行研究，無法從多組學層面解析腫瘤細胞的遺傳學改變，不能揭示腫瘤進展過程中同一細胞內不同組學間的相互聯系。

圖1 課題研究思路

付衛教授團隊長期致力于胃腸道腫瘤的臨床治療和應用基礎研究。臨床治療方面，聚焦胃腸道腫瘤的微創治療；應用基礎研究方面，對胃腸道腫瘤發展和轉移過程中的分子生物學機制進行了探索，尤其對胃腸道腫瘤的內部異致性開展了深入研究。

喬杰院士團隊與湯富酬教授團隊長期合作，致力于利用單細胞測序技術探索人類早期發育過程中生殖細胞與胚胎的表觀遺傳學修飾與基因表達調控的分子機制，已在Cell、Nature等雜志發表系列文章，精確繪制了人類植入前胚胎和胎兒生殖細胞發育過程中的轉錄組、DNA甲基化組圖譜，以及胎兒消化道發育過程中的高精度單細胞轉錄組圖譜，為了解人類自身胚胎發育特征提供了重要數據。

該研究結合前期消化道發育研究經驗，利用創新性的單細胞三組學測序技術（scTrio-seq2）從基因組、甲基化組、轉錄組三個層面全面解析了結直腸癌腫瘤內部異質性并精確追蹤了結直腸癌進展和轉移過程中的三個組學的動態變化和相互調控關系。在全面建立轉移性結直腸癌的單細胞追蹤體系基礎上，深入研究了結直腸癌基因組、甲基化組及轉錄組之間的調控關系，在三組學層面揭示了結直腸癌轉移的發生機制，從而為預測結直腸癌耐藥性、指導轉移性結直腸癌的靶向和免疫治療以及開發新的腫瘤治療手段奠定了基礎。

北京大學第三醫院周鑫博士、雍軍博士，北京大學生物醫學前沿創新中心博士生卞舒惠、侯宇、李顯龍、王藝橙為該論文的并列第一作者；北京大學第三醫院付衛教授、喬杰院士，北京大學生命科學學院湯富酬教授為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委員會、北京未來基因診斷高精尖創新中心、北大-清華聯合中心等的資助。

該研究的主要發現有：

（1） 基于DNA甲基化組數據推斷出的基因組拷貝數變異精準鑒定了腫瘤細胞的亞克隆，利用穩定的基因組信息進行了腫瘤轉移過程中的譜系追蹤。該研究精準鑒定出了結直腸癌患者單個癌細胞的染色體拷貝數變異譜，并利用其高精度的染色體內斷點信息進行了腫瘤細胞的譜系追蹤, 在單細胞分辨率追蹤了同一遺傳譜系的腫瘤細胞在轉移過程中DNA甲基化及基因表達的變化情況。

圖2. CRC01患者癌細胞的單細胞染色體拷貝數變異譜

圖3. CRC01患者的腫瘤亞克隆結構示意圖

（2）以基因組信息為基礎，系統解析了腫瘤細胞的DNA甲基化和轉錄組異質性，并全面闡釋了三個組學間的相互關系。在全基因組水平，檢測到腫瘤細胞的DNA甲基化水平普遍低于癌旁的正常上皮細胞，而且DNA甲基化降低的程度存在很大異質性；利用鑒定出的腫瘤細胞遺傳譜系信息，發現腫瘤細胞的基因組DNA甲基化譜與遺傳譜系高度一致，同一塊腫瘤組織中同一譜系的腫瘤細胞DNA甲基化水平高度相似，而不同譜系的腫瘤細胞DNA甲基化水平可存在很大差異；單細胞水平，基因啟動子區域的DNA甲基化與相應基因的表達呈現強烈的負相關關系，而基因區的DNA甲基化與相應基因的表達呈現正相關關系。

圖4. 腫瘤細胞的遺傳譜系、DNA甲基化、基因表達三者之間單細胞分辨率的對應關系

（3）揭示了結直腸癌細胞DNA去甲基化的共同特點，發現了染色體水平的DNA甲基化異常和基因組不穩定性間的關聯。腫瘤細胞的DNA去甲基化程度與相應基因組區域在癌旁正常上皮細胞中的DNA甲基化水平呈現正相關關系，也就是說，在正常上皮細胞中DNA甲基化越高的基因組區域，其DNA去甲基化越強烈；在結直腸癌細胞中，相比于其他17條染色體，有6條染色體（4號、5號、8號、13號、18號、和X染色體）傾向于發生更強烈的DNA去甲基化。其中8號、13號、和18號染色體在TCGA數據庫（178個非高頻點突變類型的病例樣本）以及該研究的12個病例中均同時具有高頻的拷貝數變異。在這6條基因組DNA去甲基化更強烈的染色體中，有5條染色體（4號、5號、8號、13號、和X染色體）也同時顯著富集基因點突變（單核苷酸變異）。

圖5. CRC01患者癌細胞相比于癌旁細胞的DNA甲基化水平

圖6.結直腸癌細胞染色體水平的DNA甲基化異常和基因組不穩定性的特點