Identification and targeting of key oncogenic drivers in pediatric and adult H3K27M-gliomas at the single-cell level
Hematology, Oncology
Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
Final Report Abstract
Diffuse Mittelliniengliome mit einer Lysin27-zu-Methionin-Mutation in Histon H3 (H3-K27M DMG) zählen zu den letalsten primären Hirntumoren und finden sich häufig in pädiatrischen Patienten in anatomischen Strukturen der Mittellinie, beispielsweise in Pons, Thalamus oder Rückenmark, weswegen deren Genese allgemein ein entwicklungsbiologisch definierter zeitlicher und räumlicher zellulärer Kontext zugrunde gelegt wird. Zwar kommt die Onkohiston-Mutation am häufigsten in pontinen Regionen zwischen einem Alter von 6 bis 9 Jahren vor, so wird dieselbe Mutation jedoch auch wiederholt im adulten DMG sowie anderen Mittellinienstrukturen festgestellt. Bislang war sehr wenig bekannt über die potentielle Heterogenität des H3-K27M DMG über verschiedene Altersgruppen und Mittellinienlokalisationen hinweg. Das Ziel dieser Studie bestand daher darin, die Auswirkung verschiedener zeitlicher und räumlicher Variablen auf zell-intrinsische sowie zell-extrinsische Tumoreigenschaften vor dem Hintergrund der gemeinsamen ‚Driver-Mutation‘ mittels multimodaler Einzelzellsequenzierungstechnologien umfassend nachzuvollziehen. Hierbei wurde eine verschiedene Altersgruppen von 2 bis 68 Jahren sowie die kraniokaudale Achse von Thalamus bis Rückenmark umfassende Kohorte von 43 primären humanen H3-K27M DMG mittels der Sequenzierung von RNA (scRNA-seq), ‚offenem‘ Chromatin (scATAC-seq) sowie räumlich aufgelöster Transkriptomik (spatial transcriptomics) - jeweils auf Einzelzellebene - charakterisiert. Die integrierte Datenanalyse weist auf die ubiquitäre Präsenz von oligodendroglialen Vorläuferzellen (OPC-artige Zellen) als onkogene Tumorstammzellen in allen Patientengruppen hin, welche jedoch ein Spektrum unterschiedlicher Reifestufen aufweisen, die von der Lokalisation des Tumors abhängen. Zudem wird eine altersabhängige Zunahme von mesenchymalen Tumorzellen demonstriert, welche mit altersspezifischen Veränderungen im immunologischen Tumormikromilieu in Verbindung gebracht werden. Zum ersten Mal werden auch die räumliche Architektur und Verhältnisse zwischen transkriptionell definierten einzelnen Tumorzelltypen im intakten Patientengewebe aufgelöst, welche auf eine oligodendrogliale Nische um die OPC-artigen Tumorstammzellen herum hindeuten. Die Ergebnisse der Analysen werden ferner genutzt, um genetische Vulnerabilitäten spezifisch für die OPC-artigen Tumorstammzellen zu definieren, welche in verfügbaren in vitro und in vivo pädiatrisch pontinen H3-K27M DMG Modellen mittels des CRISPR/Cas9-Systems sowie chemischer Inhibierung validiert werden. In der Zusammenschau stellt die vorliegende Studie umfangreiche Ressourcen und Erkenntnisse über den Einfluss von Lokalisation und Alter auf die Tumorzellregulation und das Tumormikromilieu zur Verfügung, welche zur rationalen Modellierung von repräsentativen H3-K27M DMG Modellen sowie zur Konzipierung von therapeutischen Studien unter Berücksichtigung dieser alters- und lokalisationsabhängigen Faktoren herangezogen werden können.
Publications
- Single-cell RNA-seq of pediatric ependymoma reveals prognostic impact impaired neuronal-glial fate specification. Cancer Cell. 2020 Jul; 38(1):44-59
Gojo J, Englinger B, Jiang L, Huebner J, Shaw ML, Hack O, Madlener S, Kirchhofer D, Liu I, et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.06.004) - The imitation game: How glioblastoma outmaneuvers immune attack. Cell. 2021 Apr 29; 184(9):2278-2281
Liu I, Hack O, Filbin MG
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.008)
