?鑒定驅(qū)動浸潤性癌癥形成的基因和通路一直是許多大規(guī)母牛基因組學(xué)工作的核心焦點歹嘹，但目前大多數(shù)研究都集中在晚期腫瘤的批量分析上届慈，而在很大程度上忽略了癌前病變。因此憔辫，從正常到癌前病變再到癌變狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生的表型變化的進(jìn)展以及這種轉(zhuǎn)變的分子驅(qū)動因素仍不清晰趣些。
2022年6月20日，美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院William J. Greenleaf教授團隊在Nature genetics雜志上發(fā)表了題為?Single-cell analyses define a continuum of cell state and composition changes in the malignant transformation of polyps to colorectal cancer?的文章螺垢，研究人員通過單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測序（scATAC-seq）和單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序（snRNA-seq）對48個息肉喧务、27個正常組織和6個結(jié)直腸癌樣本進(jìn)行了分析赖歌，結(jié)果揭示了腫瘤干細(xì)胞從穩(wěn)態(tài)發(fā)展到結(jié)直腸癌時發(fā)生的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄變化特征，繪制了健康結(jié)腸變?yōu)榘┣跋倭鲈俚浇Y(jié)直腸癌?（CRC） 轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生的細(xì)胞組成和細(xì)胞狀態(tài)變化圖譜功茴。
01?繪制惡性轉(zhuǎn)化過程中的細(xì)胞圖譜
研究人員收集了來自 8 個家族性腺瘤性息肉猜搿（FAP ）和 7 個非 FAP 供體的 81 個樣本，對每個組織都進(jìn)行了匹配的 scATAC-seq 和 snRNA-seq坎穿。聚類分析發(fā)現(xiàn)展父，基質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞通常聚集在一起，而上皮細(xì)胞則相對分離玲昧。
02?T細(xì)胞和髓系細(xì)胞在息肉和CRC中富集
通過細(xì)胞注釋和染色質(zhì)活性評分栖茉，研究人員鑒定到了一群耗竭 T 細(xì)胞，對 CD3? 和 PD1 進(jìn)行了 CODEX 成像孵延，發(fā)現(xiàn) 8 個息肉的 PD1 表達(dá)較低或檢測不到吕漂，但在兩個?CRC 樣本中都發(fā)現(xiàn)了 PD1 表達(dá)，說明僅在 CRC 中發(fā)生 T 細(xì)胞耗竭尘应。另外還觀察到一組幾乎完全富集于CRC的癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞?（CAF）惶凝，以及一群富集于息肉和 CRC 中的成纖維細(xì)胞群（與 CAF 相同的基因具有可及性），定義為癌前相關(guān)成纖維細(xì)胞 （preCAF）犬钢。這些觀察結(jié)果表明苍鲜，息肉和腫瘤中存在表型不同的成纖維細(xì)胞，因此可能在癌前病變的腫瘤發(fā)生中發(fā)揮作用玷犹。
03?scATAC?揭示了?preCAF特征
CAFs?的重要特征基因是FAP混滔、VCAN和COL1A2，CAFs?對這些基因的特異性表達(dá)表明成纖維細(xì)胞參與癌組織中獨特的細(xì)胞外基質(zhì)重塑歹颓，這在正常結(jié)腸或癌前息肉中不會發(fā)生坯屿。scATAC 分析顯示 CAFs 和 preCAFs 在WNT2TSS處表現(xiàn)出最大的可及性，表明染色質(zhì)的變化促進(jìn)了 CAFs 和 preCAFs 中WNT2的表達(dá)晴股。此外愿伴， CAFs 的可及性與 preCAFs 的相關(guān)性最高，這突出了 CAFs 和 preCAFs 之間的相似之處电湘，并表明 preCAFs?可能執(zhí)行與?CAFs?類似的功能隔节。
04?RUNX1?與?CAFs?的廣泛可及性相關(guān)
研究人員發(fā)現(xiàn)， JUN/FOS 和 CEBP 基序的 CAF 標(biāo)記峰富集寂呛，JUN/FOS 和 FOX 基序的 preCAF 標(biāo)記峰富集怎诫，具有相似基序的 RUNX1 和 RUNX2 的染色質(zhì)活性水平在 CAFs 和 preCAFs 中最高。然而贷痪，RUNX1 主要在 CAFs 和 preCAFs 中表達(dá)幻妓，而 RUNX2 在 CAFs 中的表達(dá)要低得多，這表明RUNX1在CAFs中對RUNX基序的可及性的驅(qū)動作用強于RUNX2劫拢。
05?干細(xì)胞樣上皮細(xì)胞富集于息肉中
研究人員對來自無FAP患者收集的正常上皮結(jié)腸細(xì)胞組成的RNA-seq和ATAC-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行分析肉津。通過分化軌跡投射和干細(xì)胞評分發(fā)現(xiàn)源自息肉和結(jié)直腸癌樣本的細(xì)胞富含干細(xì)胞樣上皮細(xì)胞强胰，而成熟腸細(xì)胞則耗盡，這表明上皮細(xì)胞在從正常細(xì)胞到息肉的轉(zhuǎn)化過程中越來越多地表現(xiàn)出干細(xì)胞樣表型妹沙，研究人員推測息肉和結(jié)直腸癌中的干細(xì)胞樣細(xì)胞群可能代表這些組織中的“癌癥”干細(xì)胞偶洋。
06?干細(xì)胞樣細(xì)胞形成潛在的惡性腫瘤連續(xù)體
接著研究人員將息肉和結(jié)直腸癌干細(xì)胞樣細(xì)胞的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性與正常干細(xì)胞進(jìn)行比較，分析表明正常干細(xì)胞與這些干細(xì)胞樣息肉細(xì)胞之間基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性的差異遵循從早期到晚期息肉再到侵襲性結(jié)直腸癌的固定進(jìn)展距糖，并且確定了該連續(xù)體特定存在于干細(xì)胞樣細(xì)胞中玄窝。
07?基因表達(dá)沿惡性連續(xù)體的變化
研究人員使用所有未受影響的樣本進(jìn)行差異分析，觀察到顯著差異峰和基因的絕對數(shù)量沿著惡性腫瘤連續(xù)體逐漸增加悍引，其中腺癌樣本表現(xiàn)出最多的差異峰和基因恩脂。然后通過選擇在至少兩個樣本中差異表達(dá)的基因，將這些基因聚類并檢查了沿該惡性腫瘤連續(xù)體的基因表達(dá)變化趣斤，發(fā)現(xiàn)了從正常結(jié)腸到癌癥的轉(zhuǎn)變過程中表達(dá)逐漸增加/減少的基因和惡性轉(zhuǎn)化特異性基因俩块，如ASCL2、HNF4A等唬渗。
08?沿惡性連續(xù)體重塑細(xì)胞組成
研究人員計算了每種細(xì)胞類型對每個樣本的貢獻(xiàn)分?jǐn)?shù)作為惡性腫瘤連續(xù)體中位置的函數(shù)典阵，發(fā)現(xiàn)某些細(xì)胞類型與惡性腫瘤連續(xù)體的進(jìn)展高度相關(guān)：在整個惡性轉(zhuǎn)化過程中，樣本中干細(xì)胞的比例逐漸增加镊逝，成熟腸細(xì)胞的數(shù)量減少；許多息肉中未成熟杯狀細(xì)胞的分?jǐn)?shù)增加嫉鲸，而在腫瘤中撑蒜，普遍缺乏向分泌譜系的分化，有效地消除了杯狀細(xì)胞玄渗。
另外座菠，在上皮細(xì)胞之外還觀察到從未受影響的息肉再到癌的轉(zhuǎn)化過程中細(xì)胞組成的變化：基質(zhì)細(xì)胞方面，preCAFs的比例逐漸增加藤树，而CAFs僅出現(xiàn)在CRCs中浴滴；免疫細(xì)胞方面，惡性息肉和結(jié)直腸癌中的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Tregs）增加岁钓，而耗竭性T細(xì)胞僅出現(xiàn)在結(jié)直腸癌中升略。Tregs的逐漸增加可能是癌前息肉免疫逃避的一種機制。這些結(jié)果說明基質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞之間沿惡性連續(xù)體之間可能存在細(xì)胞間相互作用屡限。
09?DNA甲基化變化與染色質(zhì)可及性比較
異常的DNA甲基化是結(jié)直腸癌腫瘤發(fā)生的主要機制品嚣。研究人員繪制了整個惡性腫瘤連續(xù)體中與高甲基化和低甲基化探針重疊的差異峰數(shù)，發(fā)現(xiàn)CRCs的最終差異甲基化的區(qū)域發(fā)生的染色質(zhì)可及性變化在從正常到癌癥的過程中積累钧大，在晚期息肉和CRCs中觀察到的數(shù)量最多翰撑。與高甲基化探針重疊的差異峰最接近的基因是NR5A2。NR5A2?的高甲基化啊央、可及性降低和基因表達(dá)降低表明眶诈，NR5A2?缺失可能引發(fā)的促炎狀態(tài)可能在腫瘤發(fā)生中起作用涨醋。
結(jié)論和意義
本研究對癌前上皮細(xì)胞的組成和細(xì)胞狀態(tài)的分析表明，隨著息肉接近惡性腫瘤逝撬，越來越多的上皮細(xì)胞呈現(xiàn)干細(xì)胞樣狀態(tài)东帅，這些細(xì)胞表現(xiàn)出與正常干細(xì)胞不同的潛在功能失調(diào)的表觀遺傳和基因表達(dá)程序。另外球拦，研究還確定了非癌細(xì)胞（包括成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞）的組成和細(xì)胞狀態(tài)變化靠闭，這些變化可能會影響腫瘤微環(huán)境以驅(qū)動癌癥進(jìn)展。該研究填補了癌前病變研究的空白坎炼，并為惡性腫瘤的預(yù)防愧膀、診斷和治療提供了豐富的潛在靶點。
參考文獻(xiàn)：
Becker WR, Nevins SA, Chen DC, Chiu R, Horning AM, Guha TK, Laquindanum R, Mills M, Chaib H, Ladabaum U, Longacre T, Shen J, Esplin ED, Kundaje A, Ford JM, Curtis C, Snyder MP, Greenleaf WJ. Single-cell analyses define a continuum of cell state and composition changes in the malignant transformation of polyps to colorectal cancer. Nat Genet. 2022 Jul;54(7):985-995. doi: 10.1038/s41588-022-01088-x. Epub 2022 Jun 20. PMID: 35726067; PMCID: PMC9279149.
