Nat Genet | 单细胞分析定义结直肠癌进展

撰文：存在一棵树

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收集并分析了48个息肉组织、27个正常组织以及6个结直肠癌组织的的单细胞转录组和表观基因组，定义了息肉恶性转化为结直肠癌的细胞状态和组成变化的连续统一体。

2022年6月20日斯坦福大学医学院遗传学系教授William J. Greenleaf与Michael P. Snyder在《Nature Genetics》上发表了“Single-cell analyses define a continuum of cell state and composition changes in the malignant transformation of polyps to colorectal cancer”。本文通过分析健康的结肠、息肉和结直肠癌的单核 RNA 测序 (RNA-seq)和表观基因组检测，绘制了从健康结肠到浸润性癌的表型连续体中发生的调节和转录组变化，作为人类肿瘤图谱网络的一部分。

驱动侵袭性癌症形成的基因和通路的鉴定一直是许多大规模基因组学工作的中心焦点，但大多数研究都集中在晚期肿瘤的整体分析上，而在很大程度上忽略了癌前病变。结直肠癌（CRC）是研究沿恶性转化的表型状态连续性的理想系统，因为它遵循从正常到非典型到癌的刻板进展，包括癌前息肉的形成，可能导致随后的CRC。

如图1所示，本团队从8个具有APC种系突变的家族性腺瘤性息肉病 (FAP) 和7个非FAP供体中收集的81个样本生成了单细胞数据；通过对所有样本中的细胞进行亚聚类注释区分免疫细胞和基质细胞，并单独分析上皮细胞，从而绘制了恶性转化过程中的分子变化，其中息肉和肿瘤中存在表型不同的成纤维细胞（CAF和preCAFs），可能在癌前病变的肿瘤发生中发挥作用。

如图2所示，通过对 CAF和preCAF表观遗传调控因子检测，发现CAF和preCAF 之间存在相似性，表明preCAF可能与CAF具有相似的功能。CAF 标记峰富含 JUN/FOS 和 CEBP 基序，preCAF标记峰富含 JUN/FOS 和 FOX 基序；其中最相关的转录因子 (TF)包括RUNX1、RUNX2 和 CEBPB，而CAF和preCAF围绕 RUNX1 TSS 具有最大可及性。

该团队还检查了最初未受影响的息肉或CRC疾病状态聚集的上皮细胞，以正常上皮结肠细胞组成的RNA-seq和ATAC-seq为参考。如图3所示，发现来自息肉和 CRC 的上皮细胞倾向于沿着正常分化轨迹投射到更靠近干细胞和其他未成熟细胞的位置，而来自未受影响组织的细胞相对均匀地投射到整个上皮隔室；根据投射中最近的正常细胞对所有上皮细胞进行分类，发现源自息肉和 CRC 样本的细胞富含干细胞样上皮细胞，而成熟肠上皮细胞则缺乏，这表明上皮细胞越来越多地表现出干细胞样表型；这里推测息肉和 CRC 中的干细胞样细胞群可能代表这些组织中的“癌症”干细胞。

接下来，该团队将息肉和 CRC 干细胞样细胞与正常干细胞的基因表达和染色质可及性进行比较，以确定癌前病变和癌变病变中的异常基因表达和调控程序。发现干细胞和这些干细胞样息肉细胞之间基因表达和染色质可及性的差异遵循从早期息肉到晚期息肉到侵袭性 CRC的刻板进展。其中编码谷胱甘肽过氧化物酶的GPX2的表达在从正常组织到恶性肿瘤的转化过程中逐渐上调，推测GPX2的表达可以作为息肉恶性程度的标志物，而 GPX 酶抑制剂的使用可能是CRC或癌前病变的相关治疗策略。

该团队还计算了每种细胞类型对每个样本的分数贡献，发现一些细胞类型与沿着恶性肿瘤连续体的进展高度相关。如图4所示，样本中干细胞的比例在整个恶性转化过程中逐渐增加；随着息肉转化为癌，成熟肠细胞的数量减少且缺乏向分泌谱系的分化。这里还观察到从未受影响到息肉到癌的转变过程中细胞组成的变化，基质隔室内，preCAF 的比例逐渐增加，而 CAF仅出现在CRC中；免疫隔室中，Tregs在更恶性的息肉和CRC中增加，而耗尽的T细胞仅出现在CRC中，Tregs的逐渐增加可能是癌前息肉免疫逃避的一种机制。

该团队还对单细胞结肠数据与 CRC 甲基化数据进行了整合，揭示了具有早期染色质可及性变化的CRC差异甲基化区域，该数据集可用于对预期在恶性连续体早期出现的差异甲基化区域进行分层，这些区域预计将在恶性连续体的后期出现。

综上所述，该项工作表明，腺瘤性息肉在发展为CRC时，会经历惊人一致的表观遗传和转录轨迹。

教授介绍

William Greenleaf是斯坦福大学医学院遗传学系的教授，也是生物医学信息学计划和癌症中心的成员。他于2002年获得哈佛大学物理学学士学位，并2003年于英国剑桥大学三一学院学习计算机科学一年；2008年回到斯坦福大学，在Steven Block实验室攻读应用物理学博士学位；在哈佛大学化学和化学生物学系的X. Sunney Xie实验室进行了博士后工作；于2011年11月移居斯坦福大学，担任助理教授。William高度跨学科的研究将分子生物学、计算机科学、生物工程和基因组学联系起来，以了解人类基因组的物理状态如何控制基因调控和生物状态；其实验室努力建立新工具以利用高通量测序和尖端显微镜的力量，并将这些新技术用于应对基因组和表观基因组调控的基本生物学问题。

参考文献

Becker, W.R., Nevins, S.A., Chen, D.C. et al. Single-cell analyses define a continuum of cell state and composition changes in the malignant transformation of polyps to colorectal cancer. Nat Genet (2022).

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