Glioblastoma (GBM) is a severely malignant cancer due to its deadliest invasion, leaving nonresectable clusters in brain tissues. While unraveling the exact mechanism of GBM invasion would be the key for developing the effective therapy, there have been no appropriate pre-clinical GBM models that recapitulate the human GBM. Here, we present a spontaneous mouse GBM model that features robust white matter invasion, typically observed in GBM patients. We then examined the brain-wide three dimensional (3D) landscape of GBM invasion along the white matter tract using tissue clearing. Transmission electron microscope (TEM) imaging highlights the existence of matrix-poor space between invading GBM cells and myelinated axon bundle. In vitro 3D invasion assay reveals GBM cells undergoing dynamic cycles of fast moving and stationary phases, accompanied by repeated long forward protrusion and rear contraction, atypical of mesenchymal crawling behavior. This saltatory migration mode demonstrates the GBM cells’ unique invasion phenotypes that resemble specific characteristics of the amoeboidal migration, unlike the universally accepted epithelial-to-mesenchymal transition (EMT)-driven invasion. Mechanistically, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of spatially dissected regions pinpoints that Fyn kinase, a critical regulator of cytoskeletal structure, is expressed specifically in peripheral GBM cells. Moreover, transcriptomic signatures associated with microtubule organization are downregulated in GBM cells lacking Fyn. When Fyn is knocked out, the invasion in spontaneous GBM models is effectively suppressed, and rear contraction is severely impaired, emphasizing the pivotal role of Fyn-mediated microtubule remodeling. We also identify platelet-derived growth factor (PDGF-A) as a critical regulator for long forward protrusion in the saltatory mode of GBM migration. These findings on the well-known but poorly characterized GBM invasion manifest the Fyn and PDGF-A as the new molecular targets for treatment strategies against the aggressive GBM invasion along the white matter tract.
교모세포종 (Glioblastoma, GBM)은 광범위한 침습을 특징으로 하는 악성 뇌종양으로써 수술적인 제거가 불가능하다. 교모세포종 침습 기전을 밝히는 것은 새로운 치료법을 제시하는 중요한 단서가 될 수 있지만 인간 교모세포종을 정확히 재현하는 전임상 모델이 없다는 한계에 봉착해 있다. 이 연구에서는 인간 교모세포종에서 확인되는 백질 경로 침습을 재현하는 자연발생 생쥐 교모세포종 모델을 제시한다. 나아가 조직 투명화 기술을 이용한 3차원 (3D) 전뇌 영상화 기법을 이용해 백질 경로 침습의 조감도를 관찰했다. 투과 전자현미경 (transmission electron microscope, TEM)을 이용해 마이엘린화 된 신경축삭 사이의 기질 결핍 공간을 통해 GBM 세포가 주행함을 관찰했다. In vitro 3D 침습 실험에서의 암세포 동역학 분석에서는 기존의 mesenchymal 방식의 이동이 아닌 전방 돌기 발생과 후방 돌기 퇴축이 관찰되며 급격한 가속, 감속이 반복되는 형태의 이동 방식을 확인할 수 있었다. 이러한 saltatory 이동 방식은 기존의 epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) 방식의 암 침습 기전보다는 amoeboidal 형식의 이동 방식을 차용한 침습 기전을 제시한다. 침습에 관련된 분자 기전을 탐색하기 위한 암 부위별 분리에 이은 단일 세포 전사체 분석으로 세포골격 조절에 중요한 인자인 Fyn kinase를 주요 침습 인자로 특정할 수 있었다. 나아가 Fyn이 삭제된 교모세포종의 전사체 발현 패턴에서 microtubule 조직화 감소가 예측되었다. Fyn이 삭제되면 교모세포종의 침습이 줄어들고 암세포의 후방 돌기 퇴축이 심하게 억제된다.이는 Fyn의 microtubule 조절 역할을 드러낸다. 한편 전방 돌기 형성 및 saltatory migration에서의 platelet-derived growth factor (PDGF-A)의 역할도 규명한다. 역할이 잘 알려져 있지만 교모세포종에서는 형상화가 안되어 있던 Fyn과 PDGF-A를 통해 교모세포종의 백질 경로 침습을 제어하는 타겟을 제시한다.
