多组学分析是一种综合利用多个组学数据（如基因组、转录组、蛋白质组等）进行全面研究的方法。今天小记者和大家来分享一篇发表在Nature Communications（IF=16.6）上的一篇多组学分析的文章，首先来看看这篇文章的亮点（这篇文章在研究思路以及实验设计上十分缜密，值得我们借鉴与学习）：
1. 多组学分析方法：本研究采用了多组学分析方法，包括转录组学、代谢组学和蛋白质组学等，综合分析了线粒体一碳代谢通路在未分化甲状腺癌中的作用。
2. 发现了线粒体一碳代谢通路的关键基因：本研究发现，未分化甲状腺癌中线粒体一碳代谢通路的关键基因SHMT2的表达水平显著增加，抑制SHMT2可以显著抑制未分化甲状腺癌细胞的增殖和迁移能力。这一发现为未分化甲状腺癌的治疗提供了新的靶点。
3. 数据及分析代码公开，易复现：本研究进行了大量临床样本的RNA-seq以及scRNA-seq，这些数据都已公开在GEO数据库上，并且这些数据的分析代码已经公开在gitub (https://github.com/syparkmd/thyroid_cancer_one_carbon)上，容易学习与复现。（PS：如果你想要复现相关文章，或者研究思路、研究方法有疑问，都可以随时来找小记者。）
l题目：线粒体一碳通路在未分化甲状腺癌中作用的多组学研究
l杂志：Nature Communications
l影响因子：IF=16.6
l发表时间：2024年2月
后台回复“999”获取原文献，文献编号240416
研究背景
甲状腺癌是内分泌系统最常见的恶性肿瘤，分为甲状腺乳头状癌（PTC）、滤泡状甲状腺癌（FTC）、甲状腺髓样癌（MTC）、甲状腺低分化癌（PDTC）以及甲状腺未分化癌（ATC）。代谢重编程是肿瘤发生的一个共同特征，对基因表达、细胞分化和肿瘤微环境产生深远影响。最近，丝氨酸/甘氨酸代谢途径（SGP）的脂质体已在肿瘤中得到证实，然而，SGP在甲状腺癌中的病理相关性仍有待探讨。本研究旨在通过多组学分析，探索线粒体一碳代谢途径在未分化甲状腺癌中的功能和调控机制。
数据来源
本研究使用到的RNA-seq数据和scRNA-seq数据见表1。本研究使用了多种数据来源进行多组学分析。此外，从TCGA数据库中获得PTC的基因组数据和临床参数数据。（PS：这些RNA-seq数据和scRNA-seq数据研究人员已经提供到GEO数据库上，方便大家下载以及进行复现与学习。）
表1研究使用到的数据信息
数据集/队列 |
数据库 |
数据类型 |
详细信息 |
GSE213647 |
GEO |
RNA-seq数据 |
632个甲状腺组织样本的RNA-seq数据 |
GSE232237 |
GEO |
scRNA-seq数据 |
7个PTC和5个ATC样本的scRNA-seq数据 |
GSE182416 |
GEO |
scRNA-seq数据 |
7位患者的正常甲状腺组织的scRNA-seq数据 |
研究思路
本研究旨在通过多组学分析来揭示线粒体一碳代谢途径在未分化甲状腺癌中的作用。研究人员使用质谱分析技术对未分化甲状腺癌组织和正常组织中的代谢产物进行了比较，以确定与线粒体一碳代谢途径相关的代谢物。然后进行了RNAseq分析，以研究未分化甲状腺癌组织中与线粒体一碳代谢途径相关的基因表达变化。此外，他们还利用TCGA数据库中的数据验证了这些发现。
主要结果
1.丝氨酸/甘氨酸代谢途径在未分化甲状腺癌中起关键作用
使用LC-MS技术对甲状腺癌代谢产物进行定量分析，同时进行了大规模RNA-seq和scRNA-seq（图1a）。结果显示甲状腺癌肿瘤样本中多种代谢产物显著变化，包括氨基酸和嘌呤代谢物（图1b，c）。转录组数据揭示了ATC和PTC之间的信号通路差异，以及PTC中丁酸、缬氨酸和亮氨酸代谢的富集。甲状腺分化评分显示了PTC和ATC的不同表达模式。差异表达基因和基因集分析强调了甘氨酸/丝氨酸代谢途径在甲状腺癌去分化中的重要性（图1d-g）。
图1 丝氨酸/甘氨酸代谢途径与未分化甲状腺癌相关
2.SHMT2和MTHFD 2在未分化甲状腺癌中显著上调并与预后不良相关
研究人员分析了369个甲状腺癌原发性肿瘤样本（348个PTC、5个PD、16个ATC)，并分析了TDS（甲状腺分化评分）与SGP基因之间的相关性，以探究SGP在肿瘤分化中的作用（图2）。结果显示，线粒体一碳途径基因与TDS呈负相关，而与细胞质一碳途径基因呈正相关。特别是，SHMT2和MTHFD2与肿瘤大小和分化状态密切相关。高表达的SHMT2和MTHFD2与低TDS和侵袭性临床病理特征显著相关，支持了线粒体一碳途径在未分化甲状腺癌中的重要性。
图2 SHMT 2和MTHFD 2在未分化甲状腺癌中表达上调并与预后不良相关
3.ScRNA-seq验证线粒体一碳通路与甲状腺癌去分化之间的关系
研究人员首先对7个PTC和5个ATC组织进行了scRNA-seq，同时还包括了3个邻近正常组织的甲状腺细胞（图3）。通过对测序数据进行分析，研究人员成功地将细胞分为不同的类型，并发现ATC组织中纤维细胞和巨噬细胞的比例较高，而PTC组织中甲状腺癌细胞的比例较高。进一步的分析表明，ATC组织中线粒体一碳代谢途径相关基因的表达水平较高，而PTC组织中的甲状腺分化相关基因的表达水平较高。这些结果验证了线粒体一碳代谢途径与甲状腺癌分化程度之间的关系。
图3 scRNA-seq显示了线粒体一碳途径与甲状腺癌去分化之间的关联
4.下调SHMT2抑制未分化甲状腺癌细胞的细胞活力和迁移
通过RNAseq和蛋白质表达分析，发现SHMT2在未分化型甲状腺癌细胞中高表达。进一步,，研究人员对SHMT2进行了瞬时和稳定knockdown实验，发现抑制SHMT2可以显著降低未分化型甲状腺癌细胞的细胞增殖和迁移能力。此外，通过CRISPR/Cas9系统确认了SHMT2的下调效应，并进一步证实了甲酸可以拯救SHMT2抑制对细胞存活和凋亡的影响。通过线粒体呼吸分析发现，SHMT2抑制还可以降低细胞的线粒体功能。最后，在小鼠模型中验证了SHMT2的抑制可以减缓未分化型甲状腺癌的肿瘤生长。（PS：使用动物模型验证使研究更具有逻辑，结果也更可靠。）
图4 在未分化甲状腺癌细胞中，下调的SHMT2降低了细胞活力和迁移
5.SHMT2抑制降低未分化甲状腺癌细胞生长和线粒体功能
研究人员使用了SHIN2这种SHMT抑制剂，通过连续输注[U-13C3]-丝氨酸并使用质谱法测量代谢产物的标记，揭示了SHMT2在未分化甲状腺癌细胞中的活性（图5）。实验结果表明，SHMT2的抑制导致了甲状腺癌细胞存活率的下降，并影响了甲酸的作用。此外，SHIN2处理还改变了ATC细胞系的代谢物水平，使其与PTC相似。研究还发现，SHIN2处理导致甲状腺癌细胞线粒体呼吸的减少。总的来说，SHMT2抑制可以减少未分化甲状腺癌细胞的生长和线粒体功能。
图5 SHIN2通过抑制SHMT在体外减少了细胞生长和线粒体功能
6.在未分化甲状腺癌的异种移植模型中，SHMT2抑制减少肿瘤生长
研究人员将shSHMT2-FRO-luc和shControl-FRO-luc细胞注射到裸鼠中并通过免疫组织化学染色去验证SHMT2敲低或抑制是否能够减少体内肿瘤生长。结果显示，稳定敲低SHMT2显著减少了肿瘤质量，并且估计的肿瘤体积显著低于对照组。此外，SHIN2处理也导致了肿瘤生长的减少。
文章小结
本文使用了转录组学、代谢组学和蛋白质组学等多种方法，揭示了线粒体一碳代谢途径在未分化甲状腺癌中的重要作用，并发现了潜在的治疗靶点。在研究方法上，多组学分析的综合应用能从不同层面分析未分化甲状腺癌的特征和机制，同时临床样本的使用增加了研究结果的可靠性和临床应用的可能性。此外，本研究的进行的RNA-seq和scRNA-seq数据以及分析脚本分别上传到了GEO数据库和github上，非常容易复现。如果你在思路设计、生信分析、结果可视化这些都可以找小记者，期待与您的合作~
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