Предложен метод выявления связи между транскриптомным профилем раковых клеток и способностью к метастазированию

На сегодня остается непонятным, как в опухоли возникают клетки способные мигрировать в другие части организма и давать начало новой опухоли. Ученые из Женевского университета исследовали гетерогенность опухоли рака толстой кишки с точки зрения склонности клеточных популяций к метастазированию. С помощью нового метода секвенирования добавленных единичных клеток (spiked-scRNAseq) авторам работы, опубликованной в Cell Reports, удалось связать между собой транскриптомные данные и метастатические фенотипы опухолевых клеток.

Для этого сначала вырастили одноклеточные популяции клонов из клеток первичной опухоли. Затем посмотрели, какое количество клеток мигрирует из каждой популяции. Основываясь на этих данных, выделили высоко- и низкомигрирующие популяции. Ксенотрансплантация, выполненная на мышах, подтвердила, что из мигрирующих клеток развивались полноценные опухоли. При этом популяция высокомигрирующих клеток дала в 10 раз больше метастазов по сравнению с низкомигрирующей. Такое поведение клеток ученые обозначили как «метастатическое».

Чтобы сравнить транскриптомы высокомигрирующих и низкомигрирующих клонов, отсексенировали их геномы. Были выявлены общие для них ранние и поздние драйверные мутации, например, в генах APC и SMAD4. Это говорит о том, что клоны приобретают специфическое метастатическое поведение на позднем этапе развития. Обнаружилось, что высокомигрирующий клон имел только на 3.5% больше специфичных мутаций по сравнению с низкомигрирующим.

Проанализировав данные РНК-секвенирования, ученые выделили 4 кластера — 2 основных (метастазирующие и неметастазирующие клетки) и 2 небольших побочных. Затем в популяцию клеток первичной опухоли включили приблизительно по 100 клеток каждого из клонов. Клетки в популяции просеквенировали, идентифицировав подсаженные клоны по специальным лентивирусным меткам, и получили кластеры (см. рисунок). Сопоставив метастатические кластеры с клеточными клонами, в итоге получили набор клонов, которые дают большое количество метастазов — их назвали метастатическими, а клоны, дающие мало метастазов, неместастатическими.

Затем ученые сравнили экспрессию в метастазирующих и неметастазирующих клона. Неметастазирующие клетки характеризовались высоким уровнем экспрессии генов SPINK4, TFF3; это позволило идентифицировать их как бокаловидные секреторные клетки. В популяции клеток первичной опухоли у метастазирующих клеток обнаружили повышенный уровень специфических маркеров транспорта везикул.

Ученые предположили, что количество клеток, находящихся в прометастатическом состоянии может зависеть от межклеточных взаимодействий. Проверили это следующим образом. В соотношении 1:1 смешали высокометастазирующие и низкометастазирующие клетки. При совместном культивировании популяция высокометастазирующих клеток под влиянием низкометастазирующих «соседей» стала продуцировать в два раза меньше мигрирующих клеток.

Очевидно, межклеточные взаимодействия, подавляющие метастазирование, опосредованы белками — компонентами мембраны. Чтобы найти гены-кандидаты таких белков, исследователи сравнили дифференциально экспрессируемые гены в метастатических клетках и в неметастатических. Среди них выбрали ген VSG1, так как только он кодировал трансмембранный белок, содержащий иммуноглобулиновый домен. В предыдущих исследованиях было показано, что VSCG1 обычно экспрессируется в нормальных эпителиальных клетках толстой кишки и что существует корреляция между высоким уровнем экспрессии этого гена и положительным прогнозом для пациентов с аденокарциномой толстой кишки. Чтобы понять, насколько активно экспрессируется VSIG1 в данных клеточных популяциях, использовали иммунные метки. Так установили, что в колониях неметастазирующих клеток уровень экспрессии этого гена был выше, чем в метастазирующих.

Таким образом, белок VSCG1 действует как фактор, ограничивающий развитие прометастатических состояний. «Экспрессия его в опухолевой клетке снижает количество метастазов in vivo и in vitro. Если его удалить, мы обнаружим увеличение количества метастазов», —- говорит один из авторов исследования, доктор Марианна Сильвано. Регуляция экспрессии VSCG1 способна открыть пути к новых методам лечения рака. Кроме того, технология spiked-scRNAseq, разработанная авторами, может применяться для тестирования лекарств, подавляющих метастазирование, в том числе для персонализированных подходов.