Cancer Cell：王凌华团队在单细胞水平刻画多发性骨髓瘤的前体疾病及其克隆演化模式

多发性骨髓瘤（multiple myeloma，MM）是一种起源于浆细胞（plasma cells，PCs）的血液系统恶性肿瘤，其特征是骨髓内克隆性浆细胞（clonal plasma cells，cPCs）的异常增殖，至今尚无法根治。

MM主要从两种无症状的前体疾病——意义未明的单克隆丙种球蛋白病（monoclonal gammopathy of undetermined significance，MGUS）和冒烟型多发性骨髓瘤（smoldering multiple myeloma，SMM）——进展而来，这为疾病的早期干预提供了可能。然而与许多其他癌症不同，只有当肿瘤负荷导致器官受损或当肿瘤负荷足够大时，才会对患者进行治疗。并且，并非所有的前体疾病患者都会发展为有症状的骨髓瘤，因此除非是参与临床试验，通常不推荐前体疾病患者接受治疗。此外，现有的各种预后方法在预测每个患者的骨髓瘤进展风险上缺乏一致性，这进一步增加了治疗和不治疗的选择的复杂性。

对前体疾病的大规模转录组分析显示，肿瘤微环境（TME）和肿瘤细胞的特性在疾病早期和疾病进展期间都有广泛的变化。然而，由于早期疾病的肿瘤纯度低和肿瘤细胞难以获取，这些研究受到了限制。虽然在过去几年中，该领域已经发表了多个关于MM的单细胞RNA测序（scRNA-seq）的研究，但这些研究所包含的前体疾病样本数量有限。更重要的是，这些研究缺乏单细胞B细胞受体测序（scBCR-seq）数据，这使得准确定义恶性细胞并推断肿瘤细胞起源、克隆结构和进化模式变得困难。

因此，进一步的对疾病早期克隆性浆细胞的细胞和分子特征，以及肿瘤微环境的改变进行更全面多研究，可以加深我们对MGUS-SMM-MM这一进化过程的理解，从而帮助我们找到更准确评估骨髓瘤进展风险的生物标志物，为早期干预和新型疗法的开发奠定基础。

2023年6月12日，德克萨斯大学MD安德森癌症中心王凌华团队在 Cancer Cell 期刊发表了题为：Single cell clonotypic and transcriptional evolution of multiple myeloma precursor disease 的研究论文。

该研究揭示了骨髓瘤前体疾病患者体内克隆性浆细胞的异质性，骨髓瘤恶性转化的早期基因组驱动因素，以及超二倍体（hyperdiploidy）与非超二倍体基因型之间的转录组特征和肿瘤微环境的变化。此外，该研究还推断出从前体疾病到骨髓瘤不同的克隆演变模式。

这些发现增加了我们对骨髓瘤前体疾病发展过程的理解，并为患者的风险分层、生物标志物发现以及可能的临床应用提供了宝贵的见解。

在这项研究中，研究者收集了来自64例患者的65个全骨髓穿刺样本或CD138富集的浆细胞样本（包括21 个MGUS，32个SMM，7 个新近确诊的MM，1 个复发/难治性MM和 4 个健康对照样本），并进行了配对的scRNA和scBCR测序。经过严格的数据质量控制，研究者获取了183,928 个单细胞的转录组数据，包括64,078个浆细胞（PCs）和119,850个肿瘤微环境细胞，其中74,241个细胞有配对的scRNA-seq和scBCR-seq数据。这是迄今为止包含前体疾病样本最多的单细胞（尤其是scBCR-seq）数据集。

研究者首先对样本的浆细胞进行了单独的聚类分析，并整合了致癌基因的表达，推测的拷贝数变化，以及从scBCR-seq推断出的细胞克隆性（clonality）等信息。通过这些方法，研究者准确地鉴定出了骨髓瘤前体疾病中的克隆性浆细胞。他们发现，在疾病早期，这些克隆性浆细胞已经具有了很高的样本内异质性。

研究者进一步通过整合scRNA-seq和临床FISH检测结果，确定了样本的遗传亚型（超二倍体与非超二倍体）。在这一过程中，研究者发现，scRNA-seq数据能有效地弥补传统FISH技术的局限性， 如检测范围窄，灵敏度不高等缺点，从而提高对肿瘤细胞基因组变异事件检测的精度，从而能更准确的确定肿瘤细胞的遗传亚型。研究者发现，不同遗传亚型的克隆性浆细胞在内在性质诸（如异质性，非整倍性以及增殖性）上存在显著差异。随着克隆进化，一些与高风险相关的基因组变异事件（例如，一号染色体短臂的扩增，1q gain）的获得，会显著增加克隆性浆细胞的异质性。

早期克隆性浆细胞的异质性还体现在骨髓瘤相关致癌基因的差异表达上。研究者发现，无论在前体疾病还是在骨髓瘤阶段，一些已报导过的在骨髓瘤中高表达的基因，如LAMP5、CKS1B、MYC等，都在一些样本内不同的克隆性浆细胞亚群间表现出差异表达。这一发现具有的临床意义，因为这意味着不同的细胞亚群可能对治疗的敏感性不同。

那么这种差异表达是何时开始出现的呢？为探究这个问题，研究者用CytoTRACE推断细胞的分化状态，并将CytoTRACE分值与基因表达值进行关联分析。研究者发现，大多数基因的表达值和CytoTRACE分值呈正相关，这暗示着这些基因的表达是随着肿瘤细胞的分化逐渐增强。

然而，也有一些基因在不同遗传亚型的克隆性浆细胞中表现出了不同的趋势。例如BCMA（TNFRSF17）的表达在正常浆细胞和超二倍体浆细胞中与CytoTRACE分值呈正相关，但在非超二倍体浆细胞中却没有这种关系；SDC1在超二倍体浆细胞中与CytoTRACE分值呈正相关，但在非超二倍体浆细胞的分化后期与CytoTRACE分值呈负相关。这些发现表明，骨髓瘤相关基因的表达并不是持续稳定的，而是随着肿瘤的进化而动态变化，并受细胞遗传亚型和分化状态的影响。

接下来，研究者使用Monocle构建了每个样本的B谱系细胞的发育进化轨迹，包括正常B细胞，正常浆细胞，以及克隆性浆细胞。研究者发现存在两种不同的进化模式：线性进化（linear evolution）和分支进化（branching evolution）。其中，线性进化模式主要出现在前体疾病中，而分支进化模式则主要出现在骨髓瘤中。这表明，在疾病的早期阶段，肿瘤细胞更倾向于线性进化；然而，在晚期阶段，随着肿瘤的扩张和细胞的适应能力增强，分支演化可能变得更为显著。当然，也有可能是因为早期分支进化的肿瘤更容易发生进展。研究者进一步详细刻画了从前体B细胞到克隆性浆细胞的分化过程中，细胞转录组，基因组，和克隆性的变化，检验了一些已知的与骨髓瘤相关的基因表达随分化过程的动态变化，并发现了三个可能和疾病进展相关的基因。

最后，研究者在肿瘤微环境中识别出15种主要的免疫细胞和基质细胞亚群，并发现不同遗传亚型的样之间肿瘤微环境成分存在显著差异。例如，CD8+T细胞在超二倍体样本中更加富集，而髓系细胞，如CD14+单核细胞，CD16+单核细胞和树突状细胞则在非二倍体样本中更为丰富。此外，不同染色体易位类型的样本间的肿瘤微环境成分也存在显著差异。研究者还发现肿瘤细胞和肿瘤微环境细胞的相互作用在两种遗传亚型的样本间也存在差异。这些现象需要更大的样本集进行验证，而造成这些差异的原因也值得进一步研究。

MD安德森癌症中心的王凌华博士和Elisabet E. Manasanch博士为论文通讯作者。第一作者党明浩博士现在王淩华实验室工作。