流水的热点，铁打的生信分析——细胞G0期

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研究背景

细胞G0期使肿瘤细胞对靶向活性分裂细胞的抗癌药物产生耐药性，随着肿瘤细胞的进化，G0抑制期也可作为肿瘤细胞促进免疫逃避或在转移过程中适应新的环境生态位的机制。已有研究表明，肿瘤细胞群的增殖异质性与FAK/AKT1信号通路相关，然而我们对细胞增殖和G0抑制期是如何塑造肿瘤细胞进化环境的机制的理解是有限的。同时鉴定肿瘤内处于G0期的细胞是一个挑战，缺乏有效通用的标志物。

研究结果

转录组数据评估癌细胞G0抑制期

基于先前关于细胞G0期的研究（DOI: 10.1371/journal.pbio.3000178），作者挑选139个与细胞静默相关的基因，这些基因的表达水平被用于计算处于G0期细胞的相对丰度评分。在7个独立数据集（GSE114012、GSE131594、GSE137912、GSE152699、GSE75367、GSE83142和GSE93991）中，一个组合Z评分的方法取得最高的AUC值。与已报道的细胞周期相关标志物（例如DREAM，CDK2，Ki67和MCM等）相比，该评分方法能够更好的区分处于G0期和增殖期细胞。同时作者在肺腺癌细胞系中，基于phospho-Ser807/811-Rb（phospho-Rb，可标记增殖细胞）的单细胞成像和24-h EdU 细胞增殖试验来评估细胞系中G0期细胞的比例，验证了该打分方法的稳健性。

TCGA原发肿瘤样本细胞G0期图谱

在建立了一个用于量化肿瘤中G0细胞期的稳健框架之后，作者接着从TCGA中研究了31个实体瘤组织中的8005个原发肿瘤样本。作者观察到了一系列从快速增殖到进入缓慢细胞周期的肿瘤样本，后者表现出更强的G0相关信号。结果表明G0抑制作为对各种外在和内在应激因素的适应机制存在于不同类型的肿瘤当中，其中胶质母细胞瘤的G0信号表达最高，干细胞分裂率较低的组织更容易出现G0抑制期。G0评分和增殖标志物的表达呈强负相关关系，TP53或DREAM复合体功能缺失，以及p21高表达的样本具有更高的G0评分。

癌症中细胞G0期的基因组背景

从小范围的单碱基替换到更大范围的拷贝数变异和基因组片段的重排，癌症的进化通常是由各种基因组事件驱动的。作者在对比G0期和增殖期的基因组数据中，识别了在不同阶段被优先改变（通过突变或拷贝数改变）的285个驱动基因。为了锁定与G0期相关的基因组变化，作者基于确定的驱动基因构建了一个集成弹性网络回归模型。该模型确定了组织类型是影响细胞G0期的主要决定因素。它还揭示了一组与增殖或G0期相关的57个基因组事件，包括17个癌症基因中的SNV和拷贝数丢失，以及10个癌症基因的扩增。

相比于G0期，DNA错配修复缺陷在增殖期细胞中更常见，DNA错配修复缺陷常引起微卫星不稳定MSI。而与MSI特别相关的癌症包括结肠癌，胃癌和子宫内膜癌样本的G0期评分更低。而在G0期细胞比例高的样本其DNA损伤修复途径没有改变。

尽管泛癌方法适合于捕获与细胞周期普遍相关的基因组事件，但某些遗传突变可能仅在单个组织中促进G0期信号的高或低倾向。PTEN和LRP1B的缺失或MYC，CEP89和ETV6的扩增与G0期信号降低相关，这种相关性在乳腺癌队列中最为突出。APOBEC突变特征SBS2是乳腺癌中与G0期最相关的基因组信号，在Her2+肿瘤中最普遍，正如预期的那样，已知Her2+亚型乳腺癌具有低增殖能力。

CEP89作为G0期信号调控因子的验证

鉴于CEP89这个基因在模型中的高影响排名，作者重点验证和讨论了CEP89对细胞增殖和G0抑制的影响。中心体扩增是高增殖率和高基因组不稳定性肿瘤的共同特征，本研究中，CEP89扩增的肿瘤表现出先前报道的中心体扩增特征的增强表达，该特征与G0期信号强负相关。结果表明，CEP89的拷贝数增加与细胞的增殖周期正相关，与G0期负相关，该靶点在肺腺癌细胞系NCI-H1299中得到验证。

不同刺激下细胞G0期特征

在血清饥饿、接触抑制、MEK抑制、CDK4/6抑制和自发性静默等不同的刺激下，癌细胞能进入G0抑制期，作者观察到代表不同刺激的G0期信号打分与不同刺激相对应的基因表达之间有很好的相关性。在CDK4/6抑制剂palbociclib治疗前后癌细胞系中进一步验证了CDK4/6抑制诱导的G0期细胞水平。最后作者评估了在不同类型的癌症中可能导致细胞周期阻滞的主要应激形式。

G0期对患者预后和治疗反应的影响

总的来说，G0期的癌细胞增殖抑制对癌症患者的长期结局是有益的，即使在考虑潜在的辅助性因素如肿瘤分期，性别和组织部位时也是如此。同时，生存结果因应激源而异，接触抑制刺激下，细胞进入G0期，病人的生存情况较差。生存结果也因组织而异：当G0抑制增加和高增殖之间的分界线建立在单个癌症基础上，而不是泛癌时，作者发现肺癌，结肠癌或食管癌患者在肿瘤中G0期细胞比例高的情况下表现出明显较差的预后。

虽然G0期可能在大多数癌症中使得病人具有总体生存优势，但它也可能使得癌细胞产生耐药性。在EGFR，BRAF和CDK4/6抑制剂以及常规化疗如5-氟尿嘧啶治疗后的细胞系中，作者观察到G0期水平的细胞比例增高。在TP53特异性细胞系RKO中，低剂量（10uM）5-FU和高剂量持续治疗后，G0期细胞的比例从41%增加到93%。相反，在TP53突变体SW480细胞系中没有观察到G0期细胞的相对增加，进一步强调了TP53作为细胞周期调节因子的关键作用。在EGFR抑制剂厄洛替尼治疗的EGFR突变型非小细胞肺癌细胞系可观察到相似结果。

用于单细胞转录组学数据的肿瘤细胞G0期信号优化特征

单细胞RNA-seq数据分析的一个主要挑战是高百分比的基因脱落，这可能影响使用完整的139个基因特征来评估G0期细胞的能力。因此作者使用机器学习方法，基于以下三步将最初的139个标记列表减少到一个稳健的35个基因特征——1）对给定139个G0期标记基因进行重要性进行评估2）模型中基于累积重要性的基因子集优先排序3）对不同排序的候选子集进行外部验证。这35个基因特征主要由RNA代谢和剪接调节因子组成，也由参与细胞周期进展，衰老和衰老相关基因组成，这可以应用于具有更大水平基因脱落的稀疏数据集。结果表明，优化后的信号特征同样能够很好的区分G0期细胞和增殖期细胞，同时具有同样优异的预后预测能力和耐药预测能力。

小编总结

本研究中，作者基于转录组数据开发了量化细胞G0期的方法，并利用该方法对实体肿瘤的bulk数据和单细胞数据进行表征，同时作者在该研究中识别和验证了细胞G0期相关的突变特征。最后，作者在单细胞数据中揭示了细胞G0期对靶向细胞周期，激酶信号和表观遗传机制的化疗药物的响应机制和相关性，提出了一个可用于检测G0期肿瘤细胞诱导的治疗耐药性的表达特征。

参考文献：Wiecek, A.J., et al., Genomic hallmarks and therapeutic implications of G0 cell cycle arrest in cancer. Genome Biol, 2023. 24(1): p. 128.