Cell | 37萬(wàn)單細(xì)胞測(cè)序揭示人類(lèi)結(jié)直腸癌中的多細(xì)胞免疫中心

原創(chuàng)?存在一棵樹(shù)?圖靈基因?今天

收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：存在一棵樹(shù)

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1、開(kāi)發(fā)了一種基于scRNA-seq發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類(lèi)型、及其基礎(chǔ)程序和細(xì)胞群落的系統(tǒng)方法智末；

2斧吐、轉(zhuǎn)錄分析了來(lái)自28個(gè)MMRp和34個(gè)MMRd個(gè)體的371,223個(gè)細(xì)胞召锈，對(duì)88個(gè)細(xì)胞亞群及其204個(gè)相關(guān)基因表達(dá)程序的分析揭示了跨腫瘤的廣泛轉(zhuǎn)錄和空間重塑交惯；

3浅妆、揭示了基于結(jié)腸癌腫瘤不同細(xì)胞亞群中基因程序活動(dòng)共變的多細(xì)胞相互作用網(wǎng)絡(luò)墅诡。

2021年8月25日壳嚎，BROAD研究所及哈佛醫(yī)學(xué)院的Nir Hacohen等教授與恒大免疫疾病中心Andrew J. Aguirre聯(lián)合在《Cell》上發(fā)表了一篇名為“Characterizing genetic intra-tumor heterogeneity across 2,658 human cancer genomes”的文章。該研究團(tuán)隊(duì)揭示了基于個(gè)體腫瘤不同細(xì)胞亞群中基因程序活動(dòng)共變的多細(xì)胞相互作用網(wǎng)絡(luò)末早。

幾乎所有的腫瘤都被免疫細(xì)胞浸潤(rùn)烟馅，但免疫反應(yīng)的類(lèi)型及其對(duì)腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移和死亡的影響在不同癌癥和個(gè)體腫瘤之間差異很大然磷。結(jié)直腸腫瘤（CRC）的兩種不同遺傳亞型之間存在顯著差異：錯(cuò)配修復(fù)缺陷?(MMRd)腫瘤具有高突變負(fù)荷郑趁，通常含有細(xì)胞毒性?T?細(xì)胞浸潤(rùn)，對(duì)免疫檢查點(diǎn)阻斷有約50%?的反應(yīng)率姿搜；錯(cuò)配修復(fù)正常?(MMRp)腫瘤具有低突變負(fù)荷并且在很大程度上對(duì)免疫療法無(wú)反應(yīng)寡润。這里，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于單細(xì)胞RNA?測(cè)序(scRNA-seq)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類(lèi)型舅柜、及其基礎(chǔ)程序和細(xì)胞群落的系統(tǒng)方法梭纹，并將其應(yīng)用于研究人類(lèi)MMRd和MMRp CRC的區(qū)別特征。

為了發(fā)現(xiàn)惡性致份、免疫和基質(zhì)細(xì)胞如何在MMRd和?MMRp CRC?中相互作用变抽，團(tuán)隊(duì)分析了來(lái)自34?個(gè)MMRd和28個(gè)?MMRp個(gè)體的原發(fā)未治療腫瘤以及鄰近的正常結(jié)腸組織的36塊組織。如圖1所示氮块，團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩步圖聚類(lèi)方法定義了細(xì)胞子集和轉(zhuǎn)錄程序绍载，首先將所有細(xì)胞聚集成?7?個(gè)主要分區(qū)（T/ NK/先天淋巴細(xì)胞?[ILC]、B細(xì)胞滔蝉、血漿細(xì)胞击儡、肥大細(xì)胞、骨髓細(xì)胞蝠引、基質(zhì)/內(nèi)皮和上皮細(xì)胞）阳谍；隨后在每個(gè)分區(qū)內(nèi)，使用一致非負(fù)矩陣分解(NMF)?推導(dǎo)出基礎(chǔ)細(xì)胞類(lèi)型簇（NMF）和轉(zhuǎn)錄程序立肘。

為了了解?CRC?中差異免疫反應(yīng)的基礎(chǔ)边坤，研究團(tuán)隊(duì)首先比較了MMRd和MMRp CRC與正常結(jié)腸組織的免疫組成，發(fā)現(xiàn)腫瘤和正常組織之間以及?MMRd?和?MMRp?腫瘤之間發(fā)生了顯著的重塑谅年。如圖2所示茧痒，43?個(gè)免疫細(xì)胞簇中有?37?個(gè)在腫瘤（MMRd?或MMRp）和正常結(jié)腸組織之間存在差異富集；腫瘤中單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞顯著擴(kuò)增融蹂，特異性?NMF?衍生的轉(zhuǎn)錄程序上調(diào)旺订，即炎癥基因擴(kuò)增弄企、骨髓細(xì)胞募集、刺激生長(zhǎng)区拳，并緩解炎癥拘领；表明單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在腫瘤中被重塑，并在?MMRd?腫瘤中表達(dá)了更多的免疫激活程序樱调。

在MMRd?與?MMRp腫瘤都發(fā)生了基質(zhì)重塑约素，主要包括內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞?(CAF)，兩類(lèi)腫瘤的內(nèi)皮細(xì)胞都發(fā)生了改變笆凌，出現(xiàn)更多的血管生成程序活性和免疫相關(guān)基因表達(dá)圣猎；而MMRd CRC?中CFA通過(guò)空間重新分布，增加了獲得干細(xì)胞生態(tài)位因子（如RSPO3）的機(jī)會(huì)乞而。而MMRd?與?MMRp?腫瘤的免疫組成的主要差異發(fā)生在T細(xì)胞區(qū)室中送悔，MMRd?腫瘤富集簇包含CXCL13 +?T?細(xì)胞和PDCD1 +?γδ?樣T?細(xì)胞，而MMRp?腫瘤中富集?IL17+?T?細(xì)胞爪模；除此之外欠啤，根據(jù)與正常結(jié)腸上皮細(xì)胞亞型的相似性對(duì)惡性細(xì)胞進(jìn)行了分類(lèi)，發(fā)現(xiàn)MMRd和?MMRp CRC之間惡性細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄程序不同屋灌，在MMRd?腫瘤中的惡性細(xì)胞表達(dá)可能與免疫系統(tǒng)的相互作用的免疫相關(guān)程序洁段。

一種細(xì)胞類(lèi)型的基因程序的可能會(huì)被其他細(xì)胞的變化所影響，這可能是因?yàn)榧?xì)胞間的直接影響共郭，也可能是因?yàn)楣蚕硇盘?hào)或微環(huán)境對(duì)兩種細(xì)胞類(lèi)型的共同影響眉撵。為找到這樣的多細(xì)胞協(xié)調(diào)程序網(wǎng)絡(luò)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析?MMRd?和?MMRp捕捉兩種免疫學(xué)不同腫瘤類(lèi)型之間的差異落塑，尋找共變程序。如圖3所示罐韩，使用基于圖的程序聚類(lèi)（STAR Methods)?以識(shí)別MMRd?中的?7?個(gè)和?MMRp?樣本中的9個(gè)共變多細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)憾赁，其中心由跨細(xì)胞類(lèi)型表達(dá)的多個(gè)程序組成，揭示了多細(xì)胞相互作用網(wǎng)絡(luò)散吵，即在原發(fā)性?MMRd?和?MMRp?腫瘤的管腔表面存在由惡性細(xì)胞龙考、成纖維細(xì)胞、單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞組成的炎癥反應(yīng)中心矾睦。

為了解驅(qū)動(dòng)這些惡性/免疫/基質(zhì)細(xì)胞相互作用的通訊途徑晦款，研究團(tuán)隊(duì)檢查了在炎癥和共變中性粒細(xì)胞程序的頂級(jí)基因中發(fā)現(xiàn)的所有趨化因子和細(xì)胞因子。如圖4所示枚冗，在MMRd CRC?中缓溅，T?細(xì)胞組織存在于細(xì)胞鄰域中，而XCL13 +?T?細(xì)胞與表達(dá)ISG?的髓細(xì)胞和惡性細(xì)胞的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)T細(xì)胞表達(dá)的IFNG驅(qū)動(dòng)CXCR3誘導(dǎo)更多的T細(xì)胞和其他細(xì)胞形成正反饋循環(huán)赁温，最后形成免疫炎癥中心坛怪。

綜上所述淤齐，本文確定了重復(fù)的、空間組織的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用袜匿，這些相互作用有助于MMRd?和?MMRp?腫瘤中協(xié)調(diào)的多細(xì)胞免疫反應(yīng)更啄。該研究提供了豐富的細(xì)胞狀態(tài)、基因程序及其在腫瘤中的轉(zhuǎn)化的豐富數(shù)據(jù)集居灯，涉及相對(duì)較大的?CRC?患者隊(duì)列祭务；也基于基因程序的共變和隨后兩個(gè)免疫惡性中心的空間定位對(duì)幾個(gè)多細(xì)胞中心的預(yù)測(cè)將大量細(xì)胞狀態(tài)和程序組織成較少數(shù)量的細(xì)胞和過(guò)程協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。

教授介紹

Nir Hacohen怪嫌，BROAD研究所成員义锥，擔(dān)任細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目聯(lián)合主任。擁有哈佛大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位和斯坦福大學(xué)生物化學(xué)博士學(xué)位喇勋，在Whitehead研究所創(chuàng)立自己的團(tuán)隊(duì)后缨该，BROAD研究所，并入職哈佛醫(yī)學(xué)院和馬薩諸塞州總醫(yī)院川背。其專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)和應(yīng)用合適的方法來(lái)了解哺乳動(dòng)物的免疫反應(yīng)贰拿，相關(guān)研究領(lǐng)域包括：?i）樹(shù)突狀細(xì)胞（免疫系統(tǒng)的前哨細(xì)胞）中的病毒和細(xì)菌感知；?ii)?通過(guò)先天免疫系統(tǒng)檢測(cè)自身與非自身熄云；iii)?觀察到的人類(lèi)免疫變異的遺傳基礎(chǔ)膨更，重點(diǎn)是腫瘤免疫和自身免疫；iv)?新穎和個(gè)性化的免疫療法缴允。

參考文獻(xiàn)

1荚守、Pelka, Karin et al. “Spatiallyorganized multicellular immune hubs in human colorectal cancer.”Cell,S0092-8674(21)00945-4. 24 Aug.