単一細胞RNAシーケンシングを使った乳がんサブタイプの分析

乳がんは、世界中で最も一般的に診断されるがんのタイプであり、がん関連死の第5位の原因です。さまざまな病気が含まれていて、異なる分類方法が生まれました。現在使われている重要な方法の一つが免疫組織化学で、エストロゲン受容体（ER）、プロゲステロン受容体（PR）、HER2（ヒト表皮成長因子受容体2）などのホルモン受容体を調べます。このアプローチによって、乳がんの4つの主要なサブタイプが特定されました：ルミナルA、ルミナルB、HER2増幅型、トリプルネガティブ（TN）です。

ルミナルAとBのサブタイプは、ERの存在によって特徴付けられています。ルミナルBはERとPRのレベルが低く、細胞成長が高い割合を持ち、ルミナルAに比べてHER2の発現が異なります。ルミナルAは通常、低いHER2レベルを示します。これらのルミナルサブタイプは、全乳がん症例の約70％を占め、一般的に良好な見通しを持っています。HER2増幅型乳がんは高いHER2レベルを持ち、ERはなく、乳がんの約15-20％を占め、ルミナル型よりも攻撃的です。トリプルネガティブ乳がんはER、PR、HER2が欠けていて、約15％の症例を占め、攻撃的な性質と悪い予後で知られています。

#研究テクノロジーの進展

最近の進展として、単一細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）により、研究者は個々の細胞の遺伝情報を研究できます。この技術は、古い方法に比べて腫瘍の複雑な構成についての深い洞察を提供します。乳がん細胞のさまざまなデータセットが研究のために利用可能になっていて、数百から数十万の細胞が含まれています。さまざまな細胞のタイプの違いを理解するために、クラスタリング技術に重点が置かれた重要な作業が行われました。

#研究の目的

この研究は、単一細胞RNAシーケンシングデータに基づいて乳がんに関連する重要な特徴を定量的に分析することを目的としています。腫瘍内の遺伝的多様性、遺伝子コピーの変化（コピー数変化またはCNA）、遺伝子発現のランダム性（エントロピー）、特定のタンパク質ネットワークの相互作用などの側面を調べます。これらの特徴から、分析のための数値スコアを確立します。過去の研究はこれらの側面を個別に検討していましたが、主観的な評価に依存していることが多かったです。この研究は、より体系的なアプローチを取ります。

#腫瘍内転写体の異質性

腫瘍は多様な遺伝的および物理的特性を示します。異なる腫瘍間だけでなく、同じ腫瘍内でもその違いが見られます。この違いは異質性と呼ばれ、診断と治療オプションを理解する上で重要です。同じ腫瘍内の異なる細胞は、同じ治療に対して異なる反応を示すことがあります。腫瘍間だけでなく、同じ腫瘍内の細胞群のサブポピュレーションにも変異があり、これは進化と腫瘍を取り巻く環境によって引き起こされます。

以前の研究は、scRNA-seqデータを使用して乳がんの遺伝的な違いを調べ、さまざまな細胞集団が特定のマーカーをどのように発現するかを研究しました。しかし、乳がんにおける腫瘍内異質性の詳細な定量評価はまだ不足しています。

#コピー数変化（CNA）

CNAは、腫瘍細胞内の遺伝子コピー数の変化を指します。これらの変化は、特定の細胞に優位性を与え、より攻撃的に成長し広がることを可能にします。腫瘍抑制遺伝子の喪失やがん遺伝子の獲得ががんの進行につながることがあります。CNAは、多くのヒトがんに共通する特徴であり、乳がんでは悪い結果と関連することが多いです。一部の以前の研究では、他のタイプのがんからの単一細胞データを使用してCNAのスコアが定義されていますが、乳がん研究は腫瘍細胞と非腫瘍細胞を区別することに重点を置くことが多かったです。

#細胞集団におけるエントロピー

エントロピーは、システム内の無秩序や予測不可能性の尺度です。この概念は、単一細胞トランスクリプトミクスで個々の細胞間の遺伝的多様性を評価するために適応されました。エントロピーに基づく指標は、遺伝子発現パターンの多様性を評価するために貴重なツールを提供し、幹細胞のように振る舞う細胞の可能性を示唆します。高度に特化した細胞では、遺伝子発現が一貫している傾向があり、エントロピーが低くなります。より多様な細胞では、より広範な遺伝子が活発に発現し、エントロピーのレベルが高くなります。研究によれば、乳がん患者における高いエントロピーは悪い予後を示唆する可能性があります。

#タンパク質-タンパク質相互作用ネットワークの活動

遺伝子セットを探ることで、scRNA-seqデータにおける重要な生物学的経路の発現を分析できます。乳がんでは、細胞周期や細胞成長が腫瘍の攻撃性に密接に関連しており、MKI67のような遺伝子が予後マーカーとしてしばしば使用されます。scRNA-seqデータを使用したいくつかの研究では、細胞周期に関して非常に活発な細胞のグループが特定され、がんの攻撃性との相関が示されています。上皮から間葉への移行（EMT）もがんの進行に関連しています。しかし、乳がんにおけるEMTについてはあまり知られておらず、より効果的なマーカーの研究が必要です。scRNA-seqデータの希薄な性質は、生物学的プロセスを定量化するのを難しくしています。タンパク質-タンパク質相互作用ネットワークを利用することで、規制情報を考慮することでこれに対処できる可能性があります。

#分析方法

この研究で使用するデータセットは、正常およびがん状態を含むさまざまな状態のヒト乳腺組織の単一細胞サンプルの大規模なコレクションから来ています。データの質は、いくつかの基準に基づいて徹底的にフィルタリングすることで確保されました。この研究は、健康な患者や他の非がん患者の影響を排除するために、乳がんの女性からのサンプルのみに焦点を当てました。残りのサンプルの特性、例えば、がんサブタイプ、サイズ、およびがん細胞の数が分析のために文書化されました。

#scRNA-seqデータの分析

データセットを洗練させた後、研究はソフトウェアツールを使用して単一細胞RNAシーケンシングデータを処理および分析し、がん細胞に焦点を当てました。分析には、CNA、遺伝的多様性、エントロピー、およびタンパク質-タンパク質相互作用ネットワークの活動に関するさまざまなスコアの計算が含まれます。これらの各メトリックは、がんの特性と、乳がんのサブタイプ間の違いを明らかにするのに役立ちます。

#研究の結果

分析は、サブタイプによって分類された17の個別の乳がんサンプルをカバーしました。さまざまな視覚的手法を使用して、サンプル間の遺伝子コピーの変化やその他のメトリックを調べました。ヒートマップは、遺伝子コピーの増加と減少のパターンを示し、サブタイプ間で共通の特性を明らかにしましたが、重要な違いも存在しました。

コピー数パターンの変化は異なるサブタイプ間で観察されたものの、いくつかの共有特徴も特定されました。たとえば、特定の染色体は、サンプル間で一貫して増幅または削除されており、乳がんにおける共通の遺伝的挙動を指し示しています。これらの発見にもかかわらず、同じサブタイプ内の個々の腫瘍間にはかなりの違いがありました。

研究はまた、データから派生した多様な遺伝子スコアを調査し、がんサブタイプ間の違いを強調しました。遺伝的変化、細胞の活動、そして多様性を測定するスコアで顕著な傾向が見られました。結果は、トリプルネガティブ乳がんのサンプルが一般的にいくつかのメトリックで高いスコアを示し、ルミナルサブタイプは比較的低いスコアを持つことを示しました。

#発見の議論

結果の検討では、トリプルネガティブ乳がんのような攻撃的な腫瘍タイプは、遺伝的変化と細胞成長に関連する活動のレベルが高い傾向があることが示されました。一方、ルミナル変異はこれらのメトリックに対して低いスコアを持つことが明らかになりました。これらの変異を理解することは、標的治療の開発に役立ち、さまざまな乳がんサブタイプの性質についての洞察を提供します。

研究の結果は、いくつかのメトリック間の正の相関関係を強調しており、遺伝的変化がより高い腫瘍は、攻撃的なプロファイルと高い活動を持つ可能性があることを示唆しています。重要なのは、研究がサンプル間の特性に明確な違いを明らかにし、乳がんの複雑な性質をほのめかしている点です。

一部のサンプルは期待される挙動から大きく逸脱しており、これは患者の年齢などの要因の影響を受ける可能性があります。この研究は、腫瘍の挙動や治療反応を評価する際に年齢のような個人的な特性を考慮する重要性を示唆しています。

#まとめ

この研究は、乳がんの特性を理解するための体系的なアプローチを提供し、特によく見られる3つのサブタイプ：ER陽性、HER2陽性、トリプルネガティブに焦点を当てています。遺伝的変化、エントロピー、タンパク質相互作用などのさまざまな要因を調べることで、この研究はこれらのがんの基礎となる挙動についての洞察を提供します。

この発見は、がん研究の分野に貴重な洞察をもたらし、さまざまな乳がんサブタイプに対するより効果的な治療戦略と予後指標の開発に道を開くものです。