Glioblastoma is a malignant brain tumor characterized by intra-tumoral heterogeneity and plasticity, and shows treatment resistance through cell state transition. In this study, I performed a comprehensive analysis of cross-species evolutionarily conserved tumor progression and cell state dynamics using a genetically engineered mouse glioblastoma model to recapitulate the features of human glioblastoma. Due to the characteristics of mouse glioblastoma, which mimics neurodevelopmental hierarchy, it is difficult to distinguish normal cells from cancer cells using transcriptional profiling alone. And unlike humans, criteria for discrimination of cancer cells is not established. Aberrant RNA splicing process is known to be one of the characteristics of cancer cells. Based on the temporal dynamics of the transcriptional process, the integration of unspliced RNA and spliced RNA was used to distinguish cells in a disease state from cells in a normal state. This analysis method increases the resolution of clustering by providing multimodal information to existing single cell transcriptomic data without additional experiments. To compare human and mouse glioblastoma, integrative cross-species analysis is required. Based on the evolutionarily conserved orthologous gene information between human and mouse, an autoencoder based framework was used to achieve appropriate cross-species integration of unpaired transcriptomic data. Through this, I was able to confirm the expression pattern of orthologous genes in cell states shared between different species. Through non-negative matrix decomposition techniques, biological programs commonly expressed in human and mouse glioblastoma are identified. And the 'gliogenesis' program is responsible for tumorigenesis in the early stages of glioblastoma and conserved in both humans and mice. The ‘gliogenesis’ program involves cell signaling receptors and several transcription factors. Through Markov chain-based analysis of cell state dynamics, several transcription factors were identified as common drivers of cell state transitions in humans and mice. Precursor cell-like glioblastoma mainly expresses transcription factors related to ‘gliogenesis’, and it was confirmed that the expression of transcription factors expressed during the development of the nervous system was observed to change the cell state in various forms. Ascl1, together with Olig1 and Olig2, was found to promote early tumor formation and cancer cell proliferation. Through cell signaling analysis of single-cell transcriptome data and cell signaling analysis of spatial transcriptomic data, it was confirmed that signaling pathways involved in ‘gliogenesis’ program is biologically active. Cell signaling analysis predicted Ascl1 as an intracellular target of the corresponding receptors. In tumor-sphere assy, an increase in Ascl1 expression was confirmed along with an increase in the number of colonies upon Pdgf-aa stimulation in vitro. These findings suggest that transcription factors conserved across species are regulators of cell state transition, which leads to intra-tumoral heterogeneity and treatment resistance. The discovery of common drivers for cell state transition in both human and mice highlights a potential for developing therapies that suppress tumorigenesis.
교모세포종은 종양 내 이질성과 가소성을 특징으로 하는 악성 뇌종양으로, 역동적인 세포 상태 변화를 통해 치료저항성을 보인다. 본 연구에서는 인간 교모세포종의 특징을 재현하기 위해 유전적으로 조작된 생쥐 교모세포종 모델을 사용하여, 이종간 진화적으로 보존된 종양 진행 및 세포 상태 역학에 대한 포괄적 분석을 수행하였다. 인간과 유사한 신경 발달 계층구조를 모방하는 생쥐 교모세포종의 특징으로 인하여, 전사 프로파일링만으로는 정상 세포와 암세포를 구별하기가 어렵고, 인간과 달리 구분 기준도 알려진 바가 없다. 비정상적 RNA 접합 과정은 암세포의 특징 중 하나로 알려져 있다. 전사체의 시간적 역학을 기반으로 비접합 RNA와 접합 RNA의 통합을 통해 질병 상태의 세포와 정상 상태의 세포를 구분하게 되었다. 해당 분석 방법은 추가적인 실험 없이, 기존 단일세포 전사체 분석 데이터에 다차원적 정보를 추가로 제공하여 세포 군집화의 해당도를 증가시킨다. 인간 교모세포종과 생쥐 교모세포종을 비교하기 위해서는, 적절한 종간 통합 기법이 요구된다. 인간 유전자와 생쥐 유전자 사이에 진화적으로 보존된 상동유전자 정보를 기반으로, 오토인코더 기법을 활용하여 단일세포 멀티오믹 데이터의 적절한 종간 통합을 달성하였다. 이를 통해 이종간 공유되는 세포 상태 상동 유전자의 발현 양식을 확인할 수 있었다. 비음수 행렬 분해 기법을 통해 인간과 생쥐 교모세포종에서 공통적으로 발현되는 생물학적 프로그램을 확인하였고, '교세포 생성' 프로그램이 교모세포종 초기 단계에서 종양 형성을 담당하여 인간과 쥐 모두에서 종양 발생에 기여한다는 것을 발견하였다. ‘교세포 생성’ 프로그램은 세포 신호 수용체와 여러 전사인자를 포함한다. 마르코프 체인 기반의 세포 상태 역학 분석을 통해 여러 전사인자가 인간과 쥐에서 세포 상태 전환의 공통 드라이버로 확인되었다. 전구체 세포 유사 교모세포종은‘교세포 생성’과 관련된 전사 인자를 주로 발현하며, 다양한 형태로 세포 상태를 변화하기 위해서는 신경계 발달 과정에서 발현되는 전사인자의 발현이 관찰되는 것을 확인하였다. Ascl1은 Olig1, Olig2와 함께 초기 종양 형성과 암세포 증식을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 단일세포 전사체 데이터의 세포 신호 전달 분석과 공간 전사체 데이터의 세포 신호 전달 분석을 통해 ‘교세포 생성’ 프로그램의 수용체 신호 전달이 활발히 일어나는 것을 확인하였다. 세포 신호 전달 분석에서 해당 수용체들의 세포 내 표적으로 Ascl1의 발현 증가를 예측할 수 있었는데, 생체 외 종양구 실험에서 Pdgf-aa 자극 시 콜로니 수 증가와 함께 Ascl1의 발현 증가를 확인할 수 있었다. 본 연구는 이종간 보존된 전사인자들이 세포 상태 변화 조절자라는 발견에 근거하여, 이를 차단하는 과정이 새로운 치료 표적이 될 수 있음을 제시하고자 한다.
