內網

檢測到您當前使用瀏覽器版本過於老舊,會導致無法正常瀏覽網站;請您使用電腦裏的其他瀏覽器如:360、QQ、搜狗瀏覽器的極速模式瀏覽,或者使用穀歌、火狐等瀏覽器。

下載Firefox

Cancer Cell | 湯富酬課題組與付衛課題組合作揭示結直腸癌腫瘤微環境細胞的遺傳變異

日期: 2020-10-23

腫瘤微環境是由腫瘤組織中的各種非上皮細胞以及胞外基質共同組成的,其中非上皮細胞主要包括腫瘤浸潤的各種免疫細胞、成纖維細胞以及血管內皮細胞等,而腫瘤浸潤的免疫細胞又包括T細胞、B細胞、NK細胞和巨噬細胞等。這些細胞通過與癌上皮細胞之間複雜的相互作用影響了腫瘤的發生和進展。近年來單細胞轉錄組測序等技術已經被廣泛應用到腫瘤微環境研究中,但是這些微環境細胞究竟被癌細胞馴化到何種程度,特別是腫瘤微環境細胞是否發生了遺傳改變等問題仍然沒有得到深入研究。

近年來,多項研究證實了人類正常組織的上皮細胞中普遍存在基因突變,並且“正常”組織上皮細胞中突變的大量積累被認為是一種潛在的癌前病變機製[1]。然而對於大片段的基因組拷貝數變異(somatic copy number alterations, SCNAs)的研究仍然主要依賴大量細胞混合樣品的基因組測序(bulk sequencing),這種方式隻能檢測到頻率較高(>5%)的克隆性拷貝數變異,容易忽視潛在的低頻率、非克隆性的基因組拷貝數變異,有可能極大地低估了基因組拷貝數變異在人類“正常”組織中的普遍性[2, 3]。

2020年10月22日,永利55402开户注册、北京大學生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)湯富酬課題組與北京大學第三醫院普通外科付衛課題組合作在國際知名學術期刊Cancer Cell上發表題為“Single-cell Multiomics Sequencing Reveals Prevalent Genomic Alterations in Tumor Stromal Cells of Human Colorectal Cancer”的研究論文。該研究從21例微衛星穩定的結直腸癌患者手術切除標本中獲取了癌組織、淋巴結轉移組織、癌旁組織以及外周血樣品,同時從6例非癌症個體中獲取了外周血樣品,對多種非上皮細胞進行了高精度的單細胞基因組和轉錄組雙組學測序。該研究首先建立並優化了一項單細胞基因組和轉錄組雙組學測序技術,通過對單個細胞的細胞核和細胞質進行分離,使得對同一個單細胞能夠同時進行轉錄組和基因組測序。並在此基礎上係統地研究了腫瘤微環境以及正常組織中免疫細胞、成纖維細胞和血管內皮細胞中基因組拷貝數變異的發生頻率和特征,揭示了腫瘤微環境中發生基因組拷貝數變異的成纖維細胞存在特異性克隆擴張現象;同時,通過單細胞轉錄組數據分析發現了5個腫瘤微環境中成纖維細胞特異性表達的腫瘤標誌物,均與結直腸癌預後密切相關(圖1,2)。

圖1. 研究的主要發現概述

圖2. 取樣、測序和分析的方案設計

該研究有3個主要發現:

(1)以基因組拷貝數變異為代表的遺傳變異在人體正常組織的各種免疫細胞、成纖維細胞以及血管內皮細胞中廣泛存在。

在該研究中,研究人員利用單細胞雙組學測序技術對來自21例結直腸癌患者以及6例未患癌症的正常人的總計15,312個單細胞的轉錄組數據進行了深入分析。根據細胞類型特異性表達的標記基因,這些細胞被分為8個主要細胞類群,包括上皮細胞、成纖維細胞、血管內皮細胞、T細胞、NK細胞、B細胞、肥大細胞以及其他髓係免疫細胞。令人驚訝的是,即使在非癌的正常組織中,所有細胞類群中都發現有1%-15%的細胞存在>10 Mb的基因組拷貝數變異。這說明很可能所有人類個體體內的主要細胞類型都存在百分之幾的細胞已經發生基因組拷貝數變異等遺傳異常,遺傳異常不是局限於人體內上皮細胞中的特殊現象,而是所有主要細胞類型中都存在的普遍現象。這些發生了永久的、不可逆的遺傳異常的人體細胞有可能參與了人類多種疾病的發生和發展。

通過單細胞基因組數據分析,研究人員發現不僅在腫瘤浸潤免疫細胞中存在發生基因組拷貝數變異的遺傳異常的免疫細胞(1.3%-11.2%),癌旁“正常”組織浸潤的免疫細胞(0.9%-9.7%)、結直腸癌患者的外周血(1.1%-11.5%)以及未患癌症的個體的外周血(2.9%-10.2%)中都存在較高比例的遺傳異常的免疫細胞。研究人員一共從8,982個通過嚴格基因組數據質控的免疫細胞中鑒定出538個(6.0%)發生基因組拷貝數變異的細胞。拷貝數變異在每一位結直腸癌患者(3.0%-11.2%)和每一位未患癌症的正常人(2.9%-10.2%)的免疫細胞中都普遍存在。通過研究發生拷貝數變異的染色體的分布,研究人員發現在女性個體中,整條X染色體的丟失發生頻率最高(單個細胞中兩條X染色體缺失一條,從XX變為XO),在男性個體中整條Y染色體的丟失發生頻率最高(從XY變為XO),而常染色體的拷貝數變異似乎是隨機分布的(圖3)。有基因組拷貝數變異的血管內皮細胞在癌旁組織(0.0%-1.4%)、結腸腸係膜血管內皮(3.7%-14.9%)和癌組織(3.9%-12.8%)中也都普遍存在。

圖3. 有基因組拷貝數變異的免疫細胞在不同個體中普遍存在

(2)腫瘤組織中發生遺傳異常的成纖維細胞的比例遠遠高於癌旁正常組織,並且遺傳異常的成纖維細胞在腫瘤組織中發生了顯著的克隆擴張。

研究人員從來自7例結直腸癌患者癌旁組織的664個成纖維細胞中僅發現37個細胞發生了基因組拷貝數變異,不同患者癌旁組織裏成纖維細胞中遺傳異常細胞的比例為1.1%-10.6%,而在來自9例結直腸癌患者癌組織的1,183個成纖維細胞中發現了333個發生基因組拷貝數變異的細胞,不同患者腫瘤組織成纖維細胞中遺傳異常細胞的比例為11.1%-47.7%,相比於癌旁 “正常”組織比例增加了4倍左右(圖4)。而且癌旁組織中成纖維細胞的基因組拷貝數變異呈現相對隨機的分布特征,而腫瘤組織成纖維細胞中顯著富集7號染色體拷貝數增加的細胞。在88個來自腫瘤組織發生7號染色體拷貝數變異的成纖維細胞中,有85個細胞存在整條7號染色體拷貝數增加,並且這85個細胞中位於7號染色體上的基因的平均表達水平要顯著高於(增加了26%)沒有基因組拷貝數變異的成纖維細胞。7號染色體拷貝數增加的特異性富集提示了腫瘤微環境中發生基因組拷貝數變異的遺傳異常的成纖維細胞的克隆擴張(圖5)。這說明腫瘤微環境細胞不是簡單地接受癌上皮細胞的“誘導”而被動地參與腫瘤發生過程,而是已經發生不可逆的、永久的遺傳變異,因而很可能主動地促進了癌上皮的腫瘤發生過程。遺傳變異不是像原來普遍認為的那樣隻發生在腫瘤上皮細胞中,而是也廣泛發生在非上皮的腫瘤微環境細胞中。

圖4. 發生基因組拷貝數變異的成纖維細胞在腫瘤組織中的比例遠遠高於在癌旁“正常”組織中的比例

圖5. 腫瘤組織中的成纖維細胞顯著富集7號染色體拷貝數增加的細胞

(3)發現了5個腫瘤微環境中成纖維細胞特異表達的腫瘤標誌基因,它們的表達水平均與結直腸癌預後密切相關。

研究人員鑒定出腫瘤組織中成纖維細胞相對於癌旁組織中成纖維細胞差異表達的76個基因,包括59個上調基因和17個下調基因。其中BGNRCN3TAGLNMYL9TPM2在腫瘤組織成纖維細胞中明顯上調,經TCGA數據庫驗證,其高表達與結直腸癌預後差明確相關。免疫組化實驗進一步驗證了這5個基因在結直腸癌腫瘤微環境成纖維細胞中特異性高表達,確定了這5個基因是腫瘤微環境中成纖維細胞特異性表達的腫瘤標誌基因(圖6)。這一發現拓展了腫瘤標誌基因的種類,從原來主要聚焦於癌上皮細胞表達的標誌基因變成同時關注腫瘤微環境細胞中特異性表達的腫瘤標誌基因。而且腫瘤微環境細胞特異性表達的腫瘤標誌基因更有可能具有跨不同癌種的普適性,其臨床應用場景可能更廣泛。

圖6. 與結直腸癌預後密切關聯的成纖維細胞特異性表達的腫瘤標誌基因

綜上所述,本項研究利用高精度單細胞多組學測序技術,深入係統地分析了27個人類個體的多種非上皮細胞的基因組拷貝數變異情況,揭示了基因組拷貝數變異普遍存在於人體成纖維細胞、免疫細胞和血管內皮細胞中,並發現了結直腸癌腫瘤微環境中的成纖維細胞中發生基因組拷貝數異常細胞的比例大幅度增加,而且這類遺傳異常的成纖維細胞在腫瘤組織中存在克隆擴張現象。此項研究突破了人們對人體“正常”組織中細胞遺傳變異的認知,充分證明了以基因組拷貝數變異為代表的遺傳變異在人群中普遍存在,在人體主要細胞類型中普遍存在,提示基因組拷貝數變異在人類疾病和衰老中可能存在重要作用,並對腫瘤微環境和腫瘤治療研究提供了新的線索。

北京大學生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)博士生周圓、卞舒惠博士(現為生殖醫學國家重點實驗室PI)、博士生崔月利以及北京大學第三醫院普通外科周鑫主治醫師為該論文的並列第一作者。北京大學未來基因診斷高精尖創新中心湯富酬教授和北京大學第三醫院普通外科付衛教授為該論文的共同通訊作者。該研究項目得到了國家自然科學基金和北京未來基因診斷高精尖創新中心(ICG)的支持。

原文鏈接:https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(20)30489-X


參考文獻:

1. Yizhak, K. et al. RNA sequence analysis reveals macroscopic somatic clonal expansion across normal tissues. Science 364, aaw0726, (2019).

2. Jacobs, K. B. et al. Detectable clonal mosaicism and its relationship to aging and cancer. Nat Genet 44, 651-658, (2012).

3. Laurie, C. C. et al. Detectable clonal mosaicism from birth to old age and its relationship to cancer. Nat Genet 44, 642-650, (2012).