单细胞转录组测序研究乳腺癌细胞对电离辐射的异质性响应

Studying tumor cell responses to ionizing radiation at transcriptome level plays a guiding role in understanding the causes of radiation sensitivity differences and finding biomarkers associated with radiation sensitivity. However related studies in recent years are all based on bulk sequencing, and there still lack studies at single cell level. This project intends to use single cell transcriptome sequencing for the first time to reveal the heterogenous tumor cell responses to ionizing radiation in breast cancer cell line, find significant differentially expressed genes that may be covered by bulk sequencing, validate these genes by functional experiments at cell line level, and study how downregulation of ATM gene, which plays an important role in DNA damage response, affects heterogenous responses to ionizing radiation of breast cancer cells. Now preliminary works of this project on single cell transcriptome sequencing of control and IR treated group and primary data analysis have been finished. Several significant differentially expressed genes which may be associated with radiation sensitivity have been found, such as SLBP, MCM3, MCM4 and so on. It is believed that based on these preliminary work, further deep studies of this project will lay foundation for finding biomarkers associated with radiation sensitivity, increasing tumor radiosensitivity and improving radiotherapy efficacy.

从转录组水平研究肿瘤细胞对电离辐射的响应，对于探究放射敏感性差异产生的原因以及寻找与放射敏感性相关的分子标志物，能够起到指导作用。然而近年来的相关研究都是基于群体细胞的结果，单细胞水平上的研究仍然十分缺乏。本项目拟首次采用单细胞转录组测序技术，在乳腺癌细胞系中揭示肿瘤细胞对电离辐射的异质性响应，找出那些可能被群体细胞测序结果掩盖的显著差异表达基因，并对这些基因进行细胞系水平的功能实验研究，同时探究在DNA损伤应答机制中起重要作用的ATM基因的降表达对乳腺癌细胞电离辐射异质性响应的影响。目前项目的前期工作已经完成了对照组和电离辐射处理组的单细胞转录组测序，并对测序数据进行了初步的分析，发现了一些可能与放射敏感性相关的显著差异表达基因，如SLBP、MCM3和MCM4等。相信在此基础上，本项目的深入研究将为寻找与放射敏感性相关的分子标志物，提升肿瘤放疗敏感性，提高放疗疗效奠定基础。

对于肿瘤细胞对电离辐射响应的转录组调控，我们的认知主要来源于群体细胞测序。然而，由于肿瘤异质性的存在，每个细胞是如何对电离辐射做出不同响应的还并不清楚。本研究我们通过单细胞转录组测序发现了一种细胞对电离辐射做出的异质性响应。我们采用加标签的Smart-seq2技术对未经过和经过电离辐射处理的乳腺癌细胞系MDA-MB-231进行了单细胞转录组测序。为了进一步探究ATM，一种在DNA损伤应答过程中起关键作用的蛋白质，是如何影响这种细胞对电离辐射的异质性响应的，我们还构建了降表达ATM基因的细胞系并对其进行了单细胞转录组测序。单细胞t-SNE分析的结果显示，总共有四群细胞，它们对电离辐射的响应方式各不相同。1号细胞群的变化是最少的；2号细胞群通过上调与核糖体相关的基因对电离辐射做出响应；4号细胞群则通过上调与核糖体和G1/S期相关的基因对电离辐射做出响应；3号细胞群是一个新的细胞群，仅在经过电离辐射处理后的细胞中存在。在ATM降表达的细胞系中，经过电离辐射后细胞的转录组改变明显减少。同时在野生型细胞系中对电离辐射响应最大的细胞群，4号细胞群，在ATM降表达细胞系中是不存在的。此外，我们还筛选了三个电离辐射诱导表达的基因在MDA-MB-231以及另外一个乳腺癌细胞系中进行了功能验证实验，证明了它们在放射敏感性方面的重要作用。总而言之，我们通过单细胞转录组分析，发现了一种细胞对DNA损伤做出的异质性响应，并找出了一些潜在的放射敏感性标志物。