個別癌種中腫瘤惡性細胞的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性已有研究，并揭示其組織成癌細胞狀態(tài)，但目前尚不清楚這些狀態(tài)在多大程度上跨越腫瘤類型，構(gòu)成癌癥的一般特征。2022年8月美國紐約大學(xué)研究團隊在Nat Genet（IF30.8）發(fā)表題為“Cancer cell states recur across tumor types and form specific interactions with the tumor microenvironment”的研究，將15種癌組織樣本通過單細胞轉(zhuǎn)錄組和空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合，定義了復(fù)發(fā)癌細胞狀態(tài)，并將癌細胞中的干擾素反應(yīng)與腫瘤微環(huán)境中T細胞和巨噬細胞關(guān)聯(lián)起來，發(fā)現(xiàn)干擾素反應(yīng)模塊因腫瘤位置而異，在消除淋巴細胞后減弱，為癌細胞如何與腫瘤微環(huán)境相互作用形成免疫逃避、耐藥和轉(zhuǎn)移提供了一個系統(tǒng)框架。

?研究材料

單細胞轉(zhuǎn)錄組——19個未經(jīng)治療的患者腫瘤，9種癌癥類型

空間轉(zhuǎn)錄組——10個腫瘤樣本，6種癌癥類型

?技術(shù)路線

步驟1：19個癌組織樣本進行單細胞轉(zhuǎn)錄揭示腫瘤惡性細胞異質(zhì)性，定義復(fù)發(fā)癌細胞狀態(tài)；

步驟2：空間轉(zhuǎn)錄組分析將癌癥細胞中的干擾素反應(yīng)與腫瘤微環(huán)境中的T細胞和巨噬細胞聯(lián)系起來；

步驟3：小鼠模型進一步發(fā)現(xiàn)干擾素反應(yīng)模塊的誘導(dǎo)因腫瘤位置而異，并在淋巴細胞消除后減弱。

?研究結(jié)果

1. 在不同癌癥類型中重復(fù)出現(xiàn)的基因模塊

19個新鮮的原發(fā)未經(jīng)治療的患者腫瘤，包含9種癌癥類型：卵巢(OVCA)、子宮內(nèi)膜(UCEC)、乳腺(BRCA)、前列腺(PRAD)、腎(KIRC)、肝(LIHC)、結(jié)腸(COAD)和胰腺(PDAC)以及一種非上皮性癌癥類型——胃腸道間質(zhì)瘤(GIST)。首先識別出惡性細胞，綜合先前發(fā)表的腫瘤數(shù)據(jù)進行分析，共從15種癌癥的62例未經(jīng)治療的原發(fā)腫瘤中產(chǎn)生19,942個惡性細胞。

根據(jù)基因模塊重復(fù)分成16個共識模塊，一些模塊富集于特定的器官系統(tǒng)(如腦或婦科器官)，另一些模塊則跨越多個器官和組織學(xué)。通過研究這些模塊的基因組成和癌癥類型特異性，分為細胞過程相關(guān)模塊和細胞身份相關(guān)模塊。干擾素反應(yīng)模塊包含干擾素刺激基因和抗原呈遞成分；兩個與代謝過程相關(guān)的模塊：缺氧模塊和氧化磷酸化模塊；金屬反應(yīng)模塊可能在幾種癌癥的增殖和耐藥性起作用；兩個與上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)相關(guān)模塊：一個完整的間質(zhì)模塊(cEMT)和一個缺乏典型的間質(zhì)標記的部分間質(zhì)模塊(pEMT)。最近在HNSC和SKSC中發(fā)現(xiàn)pEMT模塊特征，在GBM中也發(fā)現(xiàn)了pEMT模塊，表明來自不同譜系的細胞在癌癥中趨于相同身份。最后，確定了三個神經(jīng)癌癥特異性模塊:星形膠質(zhì)細胞(AC)樣，少突膠質(zhì)細胞祖細胞(OPC)樣和神經(jīng)祖細胞(NPC)樣模塊。

2. 通過基因模塊表達定義癌細胞狀態(tài)

對收集的19種不同腫瘤細胞，按癌細胞最高表達的模塊分組，與以患者為單位的發(fā)現(xiàn)形成鮮明對比，某些模塊之間存在共表達：例如，pEMT與應(yīng)激和干擾素應(yīng)答共表達，驗證了癌細胞通常不代表單一實體的觀點。干擾素應(yīng)答模塊在LUAD和SKSC中的表達頻率相對于正常人增加。相對正常導(dǎo)管細胞，PDAC誘導(dǎo)了鱗狀模塊，表明惡性細胞群中有鱗狀分化?；诖罅哭D(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)已提出幾種PDAC分類，包括經(jīng)典亞型(高表達TFF1,CEACAM6)和基礎(chǔ)亞型(高表達LY6D,KRT15)。雖然鱗狀細胞胰腺癌很少見，但PDAC中鱗狀細胞表達頻率的增加，表明向鱗狀程序轉(zhuǎn)化的部分化生是常見的。與正常皮膚相比，LUAD和PDAC中腺模塊的表達沒有變化，SKSC中腺模塊的表達增加，這種模式顯示原始組織表達模塊的保留和來自其他細胞類型模塊的重新部署。

3. 腫瘤細胞鄰域的癌細胞狀態(tài)分析

空間轉(zhuǎn)錄組解析癌細胞狀態(tài)和TME中細胞之間的相互作用，將僅含惡性細胞spot注釋為“惡性”，僅包含免疫細胞和基質(zhì)細胞為“正?！奔皟烧叨及摹癰oth”。在含有惡性細胞spot中，內(nèi)皮細胞的比例較低，表明腫瘤血管化不完全，中性粒細胞在“Both”的數(shù)量較多。腫瘤相關(guān)巨噬細胞被廣泛定義為M1 -抗腫瘤/促炎癥和M2 -促腫瘤/抗炎癥，對于每個含有巨噬細胞的spot進行M1/M2極性評分，在6例婦科樣本中發(fā)現(xiàn)“both”的M1/M2高于“正?！?，表明在癌細胞附近有強大的抗腫瘤巨噬細胞活性。

將每個腫瘤“惡性”的模塊評分和細胞類型鄰域相關(guān)聯(lián)，揭示TME中癌細胞和細胞類型共定位形成“鄰域”的原因。共定位顯示EMT癌細胞與成纖維細胞和內(nèi)皮細胞呈正相關(guān)，與其他惡性細胞呈負相關(guān)，這與其在腫瘤邊界富集并與癌相關(guān)成纖維細胞相互作用一致。除巨噬細胞外，表明至少有一部分癌細胞狀態(tài)與TME相互作用，可能是由免疫細胞或基質(zhì)細胞引起的，或改變了其周圍環(huán)境的細胞類型組成。

4. TME對干擾素反應(yīng)的調(diào)節(jié)

構(gòu)建小鼠癌癥模型，結(jié)合缺乏T細胞和B細胞的Rag1?/? 腫瘤單細胞數(shù)據(jù)，分析惡性細胞中的基因模塊表達，發(fā)現(xiàn)Rag1?/?和WT小鼠之間循環(huán)、應(yīng)激反應(yīng)、缺氧和腺體分化表達頻率相似。干擾素應(yīng)答模塊在Rag1?/?小鼠腫瘤中的表達頻率較低(p<10?10)。此外，相對于其他癌細胞，表達細胞中干擾素應(yīng)答模塊的所有基因都被上調(diào)。干擾素反應(yīng)模塊(B2m, H2-D1, H2-K1)的MHC I基因在Rag1?/?小鼠中的總體表達較低，表明淋巴細胞耗用普遍影響MHC I基因表達。在淋巴細胞減少的情況下，干擾素應(yīng)答細胞的頻率也因腫瘤位置而異。綜上，表達干擾素應(yīng)答模塊的細胞亞群似乎支持腫瘤內(nèi)其他細胞生長，可用這些基因的雙重功能來解釋——MHCI和MHCII引起細胞免疫檢測的增強，但CD274 (PDL1)導(dǎo)致免疫耐受性的普遍增加。

?小結(jié)

癌細胞狀態(tài)不能像細胞類型那樣明確地定義，腫瘤轉(zhuǎn)錄變異性的潛在基本單位是基因模塊，其組合產(chǎn)物定義了癌細胞狀態(tài)。在癌細胞中觀察到大部分異質(zhì)性似乎是在其他細胞和發(fā)育環(huán)境中表達模塊的重新部署，干擾素反應(yīng)的基因在15種癌癥的惡性細胞中共調(diào)控和異質(zhì)性表達，這表明其是腫瘤發(fā)生的必要特征。體外和體內(nèi)研究表明，癌細胞表現(xiàn)出高度的可塑性，并且由單一癌癥和相同狀態(tài)癌種有相同比例的原始腫瘤狀態(tài)。腫瘤微環(huán)境內(nèi)互作導(dǎo)致腫瘤整體細胞狀態(tài)的更高適應(yīng)度，如誘導(dǎo)血管生成或下調(diào)免疫監(jiān)視可能是由一部分癌細胞介導(dǎo)的，以使其他癌細胞受益。表達干擾素反應(yīng)細胞、T細胞和巨噬細胞的共定位強調(diào)癌細胞狀態(tài)的功能作用可以通過分析腫瘤結(jié)構(gòu)來理解。

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