Cancer Dis |單細胞轉(zhuǎn)錄組學分析去分化侵襲性腫瘤亞型成因

原創(chuàng)?存在一棵樹?圖靈基因?今天

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撰文：存在一棵樹

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本文使用多組學方法揭示了胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤?(PanNET)中具有侵襲性的轉(zhuǎn)移樣原發(fā)性?(MLP)?腫瘤是通過去分化沿著胰島?β?細胞發(fā)育途徑的反向軌跡產(chǎn)生的。

2021年10月1日锰霜，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院實驗癌癥研究所的Douglas Hanahan團隊在《Cancer Discovery》上發(fā)表了一篇名為“Cancer Cells Retrace a Stepwise Differentiation Program during Malignant Progression”的文章。本文分析了?PanNET RT2?小鼠模型的原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性病變田巴，將單細胞轉(zhuǎn)錄組學與大量?mRNA?和?miRNA?測序和蛋白質(zhì)組學分析相結(jié)合竭钝，通過調(diào)控通路的功能擾動元件研究侵襲性?MLP?亞型的起源。

胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤(PanNET)?是一種罕見的人類癌癥堕伪，起源于胰腺的內(nèi)分泌細胞改鲫、朗格漢斯胰島诈皿。PanNET包括兩種分子亞型林束，相對良性的胰島腫瘤?(IT)?和侵襲性的轉(zhuǎn)移樣原發(fā)性?(MLP)?腫瘤，目前侵襲性?MLP?腫瘤的起源一直不清楚』鳎現(xiàn)有研究提出了兩種可能的?MLP?亞型發(fā)展途徑诊县，第一個理論認為內(nèi)分泌祖細胞單獨作為MLP?腫瘤發(fā)生途徑的起源細胞；第二個則認為其是從已存在的癌細胞中去分化成為?MLP?亞型措左。

為了剖析原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性PanNETs?的潛在遺傳程序依痊，該團隊采集了三種不同遺傳背景的RIP1-Tag2(RT2)基因工程小鼠模型的31例原發(fā)性腫瘤和6例轉(zhuǎn)移性肝癌的樣本，以及正常小鼠胰島（4個樣本）和正常小鼠肝臟怎披。如圖1所示胸嘁，腫瘤分為兩個廣泛的亞型，具有高度獨特的?mRNA凉逛、miRNA?和蛋白質(zhì)組學特征性宏，其中?IT簇群僅包含原發(fā)腫瘤，其保持成熟?β?細胞明確標志物的高表達状飞；MLP簇群包含原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性樣本毫胜，其特征是成熟?β細胞標志物的低表達，以及許多內(nèi)分泌祖細胞標志物的高表達诬辈。為了進一步表征?MLP腫瘤酵使，該團隊使用差異表達分析和?NMF?選擇的特征開發(fā)了?MLP?簇的?miRNA?特征和mRNA?特征，對?MLP mRNA?特征中的上調(diào)和下調(diào)基因進行功能富集分析焙糟。其中激素分泌口渔、胰腺發(fā)育、細胞間粘附和胰島素分泌調(diào)節(jié)相關基因顯著下調(diào)穿撮；細胞分化和發(fā)育過程的阻遏物相關基因顯著上調(diào)缺脉；還觀察到了MLP?腫瘤中胰腺祖細胞特異性標志物的更高表達。以上實驗結(jié)果表明MLP?腫瘤與胰腺祖細胞具有共同的特征悦穿，該團隊假設?MLP?腫瘤可能經(jīng)歷了去分化攻礼，從而實現(xiàn)了從?IT?到?MLP?亞型的轉(zhuǎn)變。

為了評估去分化是導致?MLP?腫瘤的腫瘤發(fā)生中的一個離散步驟的假設栗柒，該團隊試圖確定在?IT?樣癌細胞中誘導?MLP?表型的信號通路礁扮。實驗已表明與?IT?腫瘤相比，一組miRNA?在?MLP?腫瘤中差異表達傍衡。如圖2所示深员，這里分離了在胰腺祖細胞和成熟?β?細胞之間差異表達的?miRNA，發(fā)現(xiàn)了?miR-181?家族的兩個成員蛙埂，即?miR-181c和?miR-181d，它們構(gòu)成了?miR-181cd?簇遮糖；隨后在IT?樣癌細胞中表達?7?天的?miR-181cd绣的，導致其向?MLP?亞型轉(zhuǎn)變；一致地，IT?標記基因在miR-181cd?表達時下調(diào)屡江，MLP標記基因上調(diào)芭概。以上結(jié)果表明?miR-181cd?的上調(diào)水平能夠指導從?IT?到?MLP?亞型的去分化。

接下來惩嘉，該團隊試圖探索?IT?到?MLP?轉(zhuǎn)變背后的基因網(wǎng)絡罢洲，并確定調(diào)節(jié)去分化過程的轉(zhuǎn)錄因子?(TF)。該團隊討了是否有任何被確定為預期負調(diào)節(jié)因子的?TF?可能是?miR-181cd簇的潛在目標文黎，發(fā)現(xiàn)miR-181cd?與?Meis2的?3'UTR?中的?miRNA?反應元件（MRE）結(jié)合并觸發(fā)?miRNA?介導的?mRNA?降解的能力惹苗；Hmgb3是?miR-181cd?誘導的從?IT細胞向去分化?MLP?亞型轉(zhuǎn)變的關鍵下游效應子。隨后該團隊在體內(nèi)評估了提議的?miR-181cd/?Meis2 / Hmgb3軸耸峭，如圖3所示桩蓉，從?IT?到?MLP?亞型的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在腫瘤發(fā)生的早期階段，隨后是胰島素的完全喪失和?MLP?病變中?HMGB3?的高表達劳闹，miR-181cd誘導?Meis2?下調(diào)院究，從而導致?Hmb3表達上調(diào)。以上表明HMGB3的誘導是IT癌細胞向MLP亞型去分化過程中的早期事件本涕，是去分化和轉(zhuǎn)移性細胞的標志物业汰。

接下來，該團隊對來自?scRNA-seq?的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)使用?PCA?來研究導致晚期腫瘤異質(zhì)性的基因調(diào)控途徑菩颖，發(fā)現(xiàn)去分化和增殖是導致原發(fā)性腫瘤異質(zhì)性的兩條獨立的分子途徑蔬胯。如圖4所示，為了研究所描述的去分化途徑及其調(diào)節(jié)劑可能在人類?PanNET?中起作用的可能性位他，該團隊將?MLP mRNA?特征應用于來自原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤的?110?個人類樣本隊列氛濒；通過應用小鼠?MLP mRNA?特征識別的人類?MLP?腫瘤與未成熟的?β?細胞，發(fā)現(xiàn)人類癌細胞遵循相同的反向發(fā)育軌跡鹅髓，以獲得表面上有助于增加惡性腫瘤的祖細胞樣表型舞竿。這里評估m(xù)iR-181cd、?MEIS2和HMGB3表達與人類腫瘤進展中的作用以及與臨床病理特征的相關性窿冯，發(fā)現(xiàn)高?miR-181c?和?miR-181d?表達與更具攻擊性和無功能的PanNET相關骗奖；MEIS2和HMGB3表達分別與更具侵襲性的腫瘤呈負相關和正相關；?miR-181/?MEIS2/HMGB3在人類PanNETs惡性進展為更具侵襲性和轉(zhuǎn)移性的MLP?亞型期間介導的去分化醒串。

綜上所述执桌，以上工作已將去分化確定為獨立的逐步轉(zhuǎn)變，神經(jīng)內(nèi)分泌癌細胞通過該轉(zhuǎn)變獲得祖細胞樣特征芜赌，從而促進惡性進展仰挣，去分化途徑是由?miR-181cd?簇的上調(diào)精心編排的，它抑制了?Meis2的表達缠沈，進而導致?Hmgb3?的表達膘壶。識別這種祖細胞相關基因網(wǎng)絡填補了對影響侵襲性和轉(zhuǎn)移性神經(jīng)內(nèi)分泌胰腺腫瘤特異性因素的理解的概念空白错蝴，這些知識可以為旨在阻礙腫瘤進展和轉(zhuǎn)移的治療策略奠定基礎。

教授介紹

Douglas Hanahan颓芭，現(xiàn)任洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)瑞士實驗癌癥研究所?(ISREC)名譽教授顷锰。其出生于美國華盛頓州西雅圖市，1976?年獲得麻省理工學院物理學學士學位亡问，并獲得博士學位官紫；?1983?年獲得哈佛大學生物物理學博士學位；1978-1988?年作為研究生在紐約冷泉港實驗室工作州藕，后擔任組長束世；1988?年到?2010年，在舊金山加州大學舊金山分校生物化學與生物物理學系任教慎框。其研究內(nèi)容包括癌癥良狈，轉(zhuǎn)化腫瘤學，人類癌癥的基因工程小鼠模型笨枯，腫瘤微環(huán)境薪丁、血管生成、入侵馅精、轉(zhuǎn)移严嗜、臨床前試驗。

參考文獻

1洲敢、Saghafinia S, Homicsko K, Di Domenico A, et al. Cancer CellsRetrace a Stepwise Differentiation Program during Malignant Progression.CancerDiscov. 2021;11(10):2638-2657.