Single-cell RNA-sequencing of leukemia cells

Abstract

Acute myeloid leukemia (AML) is a highly heterogeneous disease caused by sequential accumulation of mutations in the genome of hematopoietic stem cells (HSCs) or myeloid precursors, giving rise to formation of leukemia stem cells (LSC). More than 200 recurrent mutations have been described, although each patient will carry a small subset of these. The mutations are used as a basis for classification of the disease. Despite the heavy treatment used for AML, relapse is common. LSCs possess stem cell capabilities and are believed to be coupled to therapy resistance. Commonly, gene expression in leukemia has been examined by microarray analysis or RNA sequencing on bulk material. In contrast, this study describes the use of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to study the transcriptional profile of individual cells in the bone marrow from a case of AML. This was done in order to investigate the cellular heterogeneity and the leukemic stemness-like profile of AML. Approximately 500 single cells were subjected to RNA-seq, revealing at least 4 clusters, which could be classified into known cell compartments. A fifth, small cluster of only four cells, was also identified as a candidate cell population representing LSCs. In a future perspective, identification and characterization of the LSCs population may enable discovery of novel markers or targets on AML stem cells that can be used to develop small molecules and /or antibody-based therapies – targeted therapies that are much more gentle and efficient, hopefully offering higher survival rates and lower relapse rates than currently available therapies.

Popular Abstract (Swedish)

Detaljerad genetisk analys av enskilda blodcancerceller

Med hjälp av en nyutvecklad teknik, kallad singel-cell sekvensering, är det numera möjligt att karakterisera en enskild cell i ett prov bestående av tusentals celler och i detalj undersöka dess genetiska information. I denna studie utnyttjas tekniken för att studera celler i ett benmärgsprov från en patient som insjuknat i blodcancersjukdomen akut myeloisk leukemi (AML).

Tekniken kan ge en ökad förståelse för vilka celler som ger upphov till cancer, kunskap som på sikt kan möjliggöra förbättrad diagnostik och behandling. I denna studie isolerades cirka 500 enskilda celler från ett benmärgsprov från en patient som insjuknat i AML, varefter dessa cellers genuttrycksmönster bestämdes med singel-cell RNA-sekvensering. Baserat på dess genuttrycksmönster kunde de enskilda cellerna indelas i olika typer av celler.
Den mänskliga kroppen består av åtskilliga miljarder celler som kan delas in i olika kategorier, exempelvis blodceller och hjärnceller, vilka i sin tur kan indelas i olika subtyper. Varje cell innehåller arvsmassa bestående av DNA som bestämmer cellens funktion. Celler delar sig och kopierar sin arvsmassa och för den vidare till nästa generation av celler. Vid en kopiering av arvsmassan kan fel uppstå och förändringar i DNA, så kallade mutationer, introduceras. En eller flera förändringar i arvsmassa kan resultera i att celler slutar fungera som de ska, exempelvis kan onormal celldelning uppstå och leda till cancerutveckling.
Utvecklingen av blodceller kallas hematopoes. Blodets celler härstammar från en ursprungscell, en så kallad hematopoetisk stamcell, som har sitt ursprung i benmärgen. Genom att stamceller delar sig bildas nya mer mogna celler som strömmar ut i blodet. Vid ansamling av mutationer i en stamcell bildas så kallade leukemiska stamceller som ger upphov till onormala, ofta omogna, blodceller vilka konkurrerar ut de friska blodcellerna och resulterar i blodcancer, leukemi. Det finns olika typer av leukemi och hos vuxna utgör AML den vanligaste formen av akut leukemi.
Vanligen behandlas akut leukemi med kemoterapi, där cellgifter används i syfte att eliminera cancercellerna. Det är en krävande behandling för patienterna med många biverkningar och tyvärr är återfall vanligt. Återfall uppkommer på grund av att cellgifterna inte lyckas eliminera alla cancerceller. Leukemiska stamceller som ger upphov till leukemi är svåra att döda då de kan vara otillgängliga i benmärgen. Detta leder till att de överlevande cellerna utvecklar resistens mot cellgifterna. Leukemin blir då ännu svårare att bota och överlevnadsprognosen försämras markant.
I denna studie har det framgångsrikt visats att specifika cellpopulationer i benmärgen kan identifieras med singel-cell RNA-sekvensering. Målet är nu att gå vidare med att identifiera olika specifika stamcellspopulationer och att utvidga studien till att inkludera ett större patientunderlag som även innefattar olika subtyper av AML.

• author: Thorsson, Hanna
• supervisor: Thoas Fioretos; Kristina Lundberg; Carl Sandén; Christina Orsmark Pietras
• organization: Department of Immunotechnology
• alternative title: Singel-cell RNA-sekvensering av leukemiceller
• course: KIMM05 20182
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Single-Cell RNA-Sequencing, Acute Myeloid Leukemia (AML), Lekemic stem cells
• language: English
• id: 8968519
• date added to LUP: 2019-01-29 08:51:14
• date last changed: 2019-01-29 12:29:09