作者，Evil Genius
科研和臨床其實有很多共同的地方，大家都知道多組學是方向，目前單細胞轉(zhuǎn)錄組、ATAC、VDJ、空間轉(zhuǎn)錄組、空轉(zhuǎn)VDJ、宏基因組、外顯子等幾個方向的聯(lián)系越來越密切，其中單細胞通常在表征腫瘤微環(huán)境中有優(yōu)勢，空轉(zhuǎn)在識別空轉(zhuǎn)區(qū)域和免疫浸潤方面有長處，外顯子在確定不同腫瘤區(qū)域異質(zhì)性的突變信息在其準確性，其中還有空間微生物的信息也在多組學之中，這張網(wǎng)越來越大，其實大家看文章多了會發(fā)現(xiàn)，其實是在往臨床運用方面發(fā)展，其中空間和WES是最有價值的。
最近很多人問我失業(yè)了該怎么辦，問我是怎么度過去年年初失業(yè)的時光的，其實大家不要太焦慮，我被開除的時候感覺情況真的是萬念俱灰，甚至一度連做人的尊嚴都丟的無影無蹤，不過經(jīng)歷過了才發(fā)現(xiàn)，其實無論無論發(fā)生什么，首先自己不能看低自己，該做什么做什么，感覺迷茫就迷茫一會兒，千萬不要看低自己，不要為了一些虛無縹緲的東西放棄自尊，也千萬不要隨便找一份工作就去做，而是沿著自己的路往前走。
我們今天來分享一篇文獻，Molecular cartography uncovers evolutionary and microenvironmental dynamics in sporadic colorectal tumors，2023年12月發(fā)表于Cell，值得大家看一看。
結直腸癌從癌前進展到腺癌的過程中表現(xiàn)出動態(tài)的細胞和遺傳異質(zhì)性。文章對31例人類結直腸標本的空間多組學數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)了腫瘤進化的系統(tǒng)區(qū)域定位，揭示了個體化的進展軌跡以及伴隨的微環(huán)境和克隆變化。
INTRODUCTION，我們來總結一下
結直腸癌(CRC)進展的遺傳模型定義了驅(qū)動人類結腸上皮發(fā)育不良和惡性腫瘤的突變事件的累積序列。這種傳統(tǒng)的腺瘤-癌軌跡涉及驅(qū)動基因APC、KRAS和TP53的改變，導致染色體不穩(wěn)定(CIN)。另外，來自所謂的serrated pathway的sporadic CRC的一個subset更可能是BRAF驅(qū)動的微衛(wèi)星不穩(wěn)定(MSI-H)，主要是由于MLH1的雙等位基因高甲基化，導致高突變。幾十年來的研究已經(jīng)產(chǎn)生了更多的CRC亞型，闡明了侵襲和轉(zhuǎn)移的替代途徑，以及惡性病變前的特征及其臨床預后。最近，單細胞和空間分子分析的出現(xiàn)以高分辨率揭示了不同程度的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性，這表明先前提出的沿常規(guī)或鋸齒狀途徑的線性腫瘤進展不能完全解釋全球癌癥相關死亡的第二大原因的進化動力學。此外，來自空間分辨分析的分層分子信息可用于建立與基因和蛋白質(zhì)表達或細胞“狀態(tài)”相關的模型，以跨腫瘤區(qū)域的克隆身份。以這種方式對腫瘤系統(tǒng)地理學進行探索，可以在考慮區(qū)域異質(zhì)性的同時，對進化關系進行更深入的分析。
除此之外，可能是惡性細胞自身遺傳進化的基礎，腫瘤上皮和浸潤性免疫細胞之間的相互作用引入了額外的復雜性，這種相互作用提供了免疫原性選擇壓力，深刻影響腫瘤的進化和預后。事實上，與傳統(tǒng)的病理分期相比，實體腫瘤免疫區(qū)域的特征已被證明是更好的預測患者預后的指標，腫瘤免疫表型是預測幾種癌癥對免疫檢查點阻斷(ICB)反應的有價值的指標。此外，從起始到惡性的不同途徑混淆了這些腫瘤的特征，因為鋸齒狀病變和MSI-H CRC平均比常規(guī)腺瘤和微衛(wèi)星穩(wěn)定型(MSS)腫瘤更具有免疫原性。重要的是，一些類型的晚期實體瘤已被證明通過癌細胞固有的機制和觀察到的微環(huán)境表現(xiàn)出免疫排斥或逃避，這縮短了患者的總體生存期并賦予了ICB耐藥性。在結直腸癌中，觀察到的細胞毒性免疫抑制在晚期癌中隨著干細胞特征的增加而增加，這引發(fā)了關于免疫排斥及其與腫瘤進展的潛在聯(lián)系的關鍵問題。
為了繪制結直腸腫瘤細胞及其微環(huán)境的共同進化圖譜，利用空間多組學構建了結直腸癌從癌前病變到腺癌進展的系統(tǒng)區(qū)域圖譜，該圖譜有助于構建人類腫瘤圖譜網(wǎng)絡(HTAN)。分析從一組異質(zhì)性散發(fā)性結直腸腫瘤中生成了一個空間分辨率高的數(shù)據(jù)集，其中不同的腫瘤區(qū)域代表了癌癥進化的snapshots。多區(qū)域突變譜、非靶向空間轉(zhuǎn)錄組學(ST)和多重蛋白質(zhì)成像在維持組織背景的同時，提供了分層分子信息的高維配對測量。
結合空間數(shù)據(jù)和單細胞RNA測序(scRNA-seq)來列舉一致的細胞狀態(tài)，分析將腫瘤程序和微環(huán)境特征投射到progression pseudotime(PPT)上，該時間源自腫瘤隊列中的區(qū)域拷貝數(shù)變異(cnv)和體細胞突變譜。這些努力發(fā)現(xiàn)了在染色體不穩(wěn)定(CIN+)和超突變(HM) CRC的進展過程中明顯改變的多種途徑，包括MSS CIN+ CRC向免疫排斥的過渡。
研究成果
空間圖譜查詢散發(fā)性結直腸腫瘤的分子異質(zhì)性
- 樣本類型：選擇31個具有代表腫瘤進展階段過渡的區(qū)域形態(tài)學的人類結腸標本(同時具有癌前、惡性和侵襲性區(qū)域的樣本),其中MSS (n = 12) and MSI-H (n = 10) as well as pre-cancerous tumor subtypes (n = 8; 4 SSL/HP and 4 TA/TVA). 還有a normal colon sample。
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技術：單細胞、空間、WES（FFPE樣本）
這一部分主要是表征，查看不同部位的突變信息以及表達信息。
空間CNV圖譜與克隆進化
引起MSS CRC的傳統(tǒng)腺瘤-癌序列的一個標志是CIN，它導致體細胞gain、loss和可遺傳給細胞后代的大片段DNA重排。因此，如果在空間上測量，CNVs的累積增加可用于在腫瘤區(qū)域之間排序腫瘤進展事件。
- 推斷CNV，包括ST，scRNA-seq, WES, and WGS。
ST和SC數(shù)據(jù)推斷的CNV的結果進行聚類分析。并且分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)（SC和ST）、基因組數(shù)據(jù)（WGS、WES）的CNV事件的相關性。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明，CIN在癌癥發(fā)展過程中的發(fā)病時間比之前假設的要晚，并且MSS腫瘤比MSI-H腫瘤更有可能成為CIN+。然而，確實觀察到一些MSI-H腫瘤獲得CIN。事實上，該圖譜中有三個MSI-H腫瘤的區(qū)域被分類為CIN+。這些例外情況類似于HM TA/TVA/MSS腫瘤，表明在某些情況下會出現(xiàn)CIN的替代途徑。
多區(qū)域體細胞突變譜提供了系統(tǒng)區(qū)域拓撲結構
外顯子數(shù)據(jù)的體細胞突變腫瘤進化，作者使用全外顯子測序（LCM-WES）進行體細胞突變譜分析。22例患者的LCM-WES結果在多個ROI中表現(xiàn)出可觀察到的系統(tǒng)演化。ROI之間的遺傳改變可以重建腫瘤區(qū)域之間的進化關系。
當利用系統(tǒng)發(fā)育結構對圖譜中的癌癥進行分類時，作者觀察到22例腫瘤中有8例表現(xiàn)出線性進化，其特征是公共突變多和區(qū)域異質(zhì)性低。剩下的14例腫瘤中，作者將6例歸類為中性，8例歸類為分支，其特征是公共突變少和區(qū)域異質(zhì)性高。在CIN+腫瘤中僅有2例的演變被歸類為線性.
作者建立了PPT排序，并計算了腫瘤區(qū)域的CIN指數(shù)(量化CIN和高突變的比較程度)，定義為LCM ROI和CNV克隆的組合。PPT排序沿著從正常粘膜和癌前腺瘤到浸潤性腺癌進展的全局指標進行圖譜級整合和空間信息建模。CIN指數(shù)結合了每個區(qū)域的CNV和突變信息，優(yōu)先考慮動態(tài)范圍較大的信息進行PPT排序。該指數(shù)自然地將晚期腫瘤區(qū)(PPT > 0.4)的CIN+(陽性指數(shù))和HM(陰性指數(shù))腫瘤劃分為兩個不同的軌跡。在CIN+和HM PPT上檢查單個腫瘤的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了空間異質(zhì)性的實例，分別描述了從MSI-H到CIN+和MSS到HM的交叉過渡。重要的是，在CIN指數(shù)高的腫瘤區(qū)域，TP53突變比APC突變更豐富，證實了CIN在CRC發(fā)展的后期出現(xiàn).
Cell-state deconvolution reveals pseudotemporal tissue dynamics
利用NMF的方法解析細胞分類狀態(tài)，并通過解卷積計算細胞狀態(tài)在每個空間轉(zhuǎn)錄像素中的貢獻。同時，使用細胞-細胞相互作用群體重建算法，將組織劃分為不同細胞狀態(tài)組成的區(qū)域。研究還觀察到不同腫瘤類型和進展階段的細胞狀態(tài)動態(tài)變化，以及免疫細胞在環(huán)境中的分布。通過建立廣義加性模型，研究揭示了細胞狀態(tài)在結直腸癌演化過程中的重要作用。具體而言，研究發(fā)現(xiàn)在癌前病變轉(zhuǎn)變?yōu)镃IN+和HM的過程中，正常細胞被癌特異性上皮狀態(tài)細胞所取代。CIN+結直腸癌表現(xiàn)出一種排斥或逃避免疫系統(tǒng)的上皮內(nèi)固有程序，導致CD8+淋巴細胞和其他免疫作用減少。而在HM腫瘤中，浸潤的免疫細胞群體則有所增加。這表明在CIN+結直腸癌中存在一種上皮內(nèi)固有程序，用于排斥或逃避細胞毒性宿主免疫系統(tǒng)。
Gene expression features of CIN+ CRCs predict immune exclusion
研究人員對CIN+腫瘤進展與免疫排斥關系進行深入探索。他們發(fā)現(xiàn)了與免疫排斥相關的基因，包括DDR1, TGFBI和PAK4，并確定了一個與細胞外基質(zhì)（ECM）信號轉(zhuǎn)導和結構相關的功能模塊。這些基因在CIN+晚期呈顯著上調(diào)。此外，研究發(fā)現(xiàn)DPEP1基因在腫瘤進展過程中表達顯著增加，可能參與免疫排斥。因此，由DDR1, TGFBI，PAK4和DPEP1四個基因組成的免疫排斥（IEX）標志物，成為CIN+結直腸癌免疫治療的潛在靶點，成為預測腫瘤免疫排斥的生物標志物。研究人員通過免疫組化數(shù)據(jù)驗證了免疫排斥的存在，還觀察到富含膠原的基質(zhì)可以隔離免疫浸潤物。進一步的研究結果顯示具有高IEX分數(shù)（IEX+）的腫瘤區(qū)域中CD8+ T細胞浸潤較少，而具有低IEX分數(shù)（IEX-）的區(qū)域則有大量CD8+ T細胞存在。
IEX trends with tumor progression and predicts poor patient outcomes
通過對大型scRNA-seq樣本進行分析，發(fā)現(xiàn)IEX+的結直腸癌中T細胞表現(xiàn)出靜止和耗竭狀態(tài)的基因特征和代謝途徑變化。這些結果揭示了腫瘤細胞與其微環(huán)境的共同演化，在CIN+腫瘤中導致免疫抑制。研究還發(fā)現(xiàn)IEX評分較低的HM腫瘤中存在其他與免疫耐受微環(huán)境相關的細胞狀態(tài)。癌相關成纖維細胞和髓系細胞可以促進免疫抑制的微環(huán)境，而一些其他類型的成纖維細胞則具有對抗免疫抑制效應。這說明在CIN+結直腸癌中，腫瘤細胞與微環(huán)境共同演化，導致CD8+ T細胞在腫瘤微環(huán)境中被排斥和抑制。而在HM結直腸癌中，存在其他的免疫耐受路徑。對人類腫瘤標本的分析表明，IEX主要由腫瘤細胞表達，通過其評分可以預測腫瘤中CD8+ T細胞的浸潤程度和激活狀態(tài)。IEX在腫瘤進展過程中與免疫排斥的程度相關，IEX高表達與腫瘤的進展和患者不良預后相關。蛋白質(zhì)表達數(shù)據(jù)也證實了IEX作為預后指標的價值。最后，通過改變腫瘤中IEX蛋白質(zhì)DDR1的表達，研究人員驗證了IEX在抑制腫瘤進展中的作用。
了解研究意義的同時看一下分析方法
