Cell | 单细胞测序对肿瘤浸润髓系细胞的泛癌细胞图谱的全面解读

英文名称：A pan-cancer single-cell transcriptional atlas of tumor infiltrating myeloid cells

中文名称：肿瘤浸润髓系细胞的泛癌单细胞转录图谱

期刊名称：cell

影响因子：38.637

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33545035/

本文通过对肿瘤浸润髓系细胞(TIMs)进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据分析，全面揭示了15种癌症类型特征的相似和差异性。同时作者开发了一个基于web的交互式工具来分析和可视化单细胞的数据。本研究为深入了解TIMs在各种肿瘤中的作用提供了丰富的资源，并为骨髓细胞靶向治疗提供了有价值的见解，为多种人类癌症类型的免疫治疗发展提供了理论基础。

背景

肿瘤是一个复杂的生态系统，异质性的恶性肿瘤细胞与免疫细胞和非免疫细胞相互作用，形成肿瘤微环境(TME)的复杂细胞网络。因为髓系细胞的异质性研究仍较少且髓系细胞是免疫细胞浸润肿瘤的关键细胞成分，并在调节肿瘤炎症和血管生成中发挥重要作用，所以一些针对髓系细胞的治疗方法正在进行临床前和临床研究。

 TIMs包括几个不同的主要谱系，包括肥大细胞、浆细胞样树突状细胞(pDCs)、常规树突状细胞(cDCs)、单核细胞和巨噬细胞。在过去的十年中，主要借助流式细胞术，主要髓系谱系的复杂性已经开始被揭示。单核细胞通常根据表面标记CD14和CD16的表达进行分类。巨噬细胞是TME的关键介质，并参与肿瘤免疫的多个方面。“经典激活”M1和“交替激活”M2巨噬细胞极化系统被用来描述巨噬细胞的体外激活状态。然而，巨噬细胞在体内表现出更复杂的表型，不仅仅是简单的体外分类。树突状细胞(DCs)是抗原特异性免疫反应的关键角色。两个不同的cDC亚群，XCR1 ⁺ CADM1 ⁺ cDC1s和CD1A ⁺ CD172A ⁺ cDC2s，已被鉴定，并显示分别与CD8 ⁺和CD4 ⁺ T细胞相互作用。此外，在人类血液和脾脏中发现了不同的cDC2亚群，cDC2的异质性最近才开始被揭示。然而，肿瘤中cDC2的复杂性仍未完全确定。

材料方法

材料：210名患者样本

方法：scRNA；免疫组化(IHC)

研究结果

1. scRNA-seq分析揭示了15种癌症类型中的髓系细胞

图一  不同癌症类型中髓细胞亚群的鉴定

作者通过对210名患者的380个骨髓样本进行scRNA-seq数据分析，基于典型细胞标记识别出四种常见的主要细胞系(肥大细胞、pDCs、cDC、单核细胞/巨噬细胞)。此外，cDC和单核/巨噬细胞可以进一步划分为多个亚群。在cDC中发现了三个不同的亚群(图1E)，包括两个经典的cDC亚群和一个成熟的cDC亚群。ESCA中单核/巨噬细胞进一步聚类产生了6个具有特定基因的亚群，包括两组单核细胞和四组巨噬细胞。值得注意的是，在CRC和骨髓瘤中，作者发现了一个中间单核细胞亚群，这可能由于血液中含有大量的单核细胞。与cDC和单核细胞相比，不同肿瘤类型的巨噬细胞亚群也表现出更高的异质性(图1F)。通过两项独立研究所组成的四种癌症类型(图1G)进一步验证了作者聚类识别的合理性。

2. 肥大细胞在不同类型的癌症中表现出不同的功能潜力

图二  不同癌症类型中主要骨髓细胞谱系的特征

通过整合15种癌症类型的大量髓系细胞，作者发现不同癌症类型中每个主要谱系的平均转录组之间具有相似性。接下来，作者检查了每种肿瘤类型主要谱系的组成(图2B)，结果发现TIMs中，四种常见的主要细胞系所占的比例各不相同，其中在不同的肿瘤中，肥大细胞的比例表现出戏剧性的变化。进一步检查了肥大细胞的组织分布，发现在大多数癌症类型中，肿瘤组织中肥大细胞比例较高，支持肥大细胞在肿瘤中积累。同时还发现肥大细胞在相邻正常子宫中增加，这证实了肥大细胞可能与生殖过程有关。有趣的是，在UCEC中，肿瘤组织的肥大细胞中TNF的表达低于非肿瘤组织的肥大细胞(图2C)。据报道，肥大衍生的TNF在DC功能和T细胞启动中发挥关键作用，这有利于抗肿瘤能力。

肿瘤中的肥大细胞被认为在影响肿瘤细胞的命运方面起着双重作用。除了TNF，肥大来源的VEGFA是与肿瘤血管生成相关的关键基因。肿瘤切片免疫组化(IHC)染色进一步证实了甲状腺癌(THCA)中存在这两种肥大细胞亚群(图2D)。同时还发现肥大细胞在鼻咽癌中调控TNF⁺表达，从而具有独特的抗肿瘤功能，而其通常在大多数其他肿瘤中发挥促肿瘤作用。

为了探究鼻咽癌中TNF ⁺肥大细胞富集的潜在原因，比较了TNF⁺和TNF^-肥大细胞的转录组学差异。作者注意到，TAMs产生大量的SPP1和白细胞介素(IL)-1b，被预测为可能驱动TNF ⁺肥大细胞表型的配体(图2G)。还发现，肥大细胞更有可能与鼻咽癌巨噬细胞相互作用(图3k)。此外，肿瘤组织中IL1B ⁺巨噬细胞和TNF ⁺肥大细胞之间存在正相关关系(图2I)。这些结果表明，IL1B ⁺巨噬细胞的存在可能促进了肥大细胞在鼻咽癌中的抗肿瘤特性。

3. 广泛存在的LAMP3 ⁺ cDC具有不同发育起源

图三   不同癌症类型中cDC亚群的特征

其次，作者关注cDC的异质性和功能，发现不同肿瘤类型中的cDC亚群具有较高的相似性（图3A/B），表明每个cDC亚型的转录组状态是由发育决定的，受癌症类型的影响相对较小。作者鉴定了15种癌症类型中的代表HCC子集的LAMP3 ⁺ cDC(图1F和3A)，通过利用IHC进一步证实了它们广泛存在于TME中。总之，这些发现表明LAMP3 ⁺ cDCs代表成熟的cDCs，广泛存在于多种肿瘤中，暗示了它们在TME中不可或缺的作用。

接下来，检查了不同癌症类型的cDC亚群的组成。观察到肿瘤中cDC2s的比例高于cDC1s，而LAMP3 ⁺ cDCs的丰度在不同的癌症类型中差异很大(图3D)。肿瘤来源的LAMP3 ⁺ cDCs中的高表达基因之一是CMTM6(图3F)， CMTM6是一种关键的PD-L1蛋白调节基因，通过降低其泛素化程度和增加PD-L1蛋白半衰期。研究发现，PD-L1在几乎所有癌症类型的肿瘤来源的LAMP3 ⁺ cDC中普遍上调，而其调控因子，包括AXL、TRL3和CD40，则表现出不同的模式(图3G)。

最近的研究表明，LAMP3 ⁺ cDCs有可能从cDC1和cDC2两种细胞发展而来。尽管肿瘤组织中cDC2的比例要高得多，但我们发现除胰腺癌(PAAD)和鼻咽癌外，所有癌症类型中都有更多cDC1来源的LAMP3 ⁺ cDC。此外，通过对调控网络的检测，作者还发现了一系列LAMP3 ⁺ cDCs下调因子，包括已知的DC相关转录因子RARA和ZEB1。这表明，两个cDC亚群在分化为LAMP3 ⁺ cDC后仍保持特定的转录组特性，功能具有多样化。

然后，作者探索了驱动cDC成熟的细胞外信号，并编录了三种不同的基因特征:cDC1特异性、cDC 2特异性和共享成熟特征。数据表明，DCs成熟的同时受到一系列保守配体和cDC1/ cDC2特异性配体的调控。需要进一步的研究来验证这些假定调控因子的功能作用，并充分解释cDC亚群的不同分化过程。

4. cDC2亚群在肿瘤中的变异

图四   肿瘤中cDC2亚群的特征

作者利用scRNA-seq数据来研究cDC2的异质性。研究发现，cDC2在4个DC群体中异质性最高(图4A)。无偏差聚类后共产生6个具有特定特征基因的cDC2簇。然后，使用SCENIC检查了每个cDC2子集的调控网络，并为每个cDC2子集确定了特定的TF调控子(图4E)。这些分析确定了驱动每个cDC2亚群表型差异的可能候选细胞，并有助于阐明这些细胞的异质性和功能。

通过进一步探讨了cDC2亚群与LAMP3 ⁺ cDCs之间的关系，确定C06-cDC2-CXCL9亚群更有可能分化为LAMP3 ⁺ cDCs (图4F)。与其他cDC2亚群相比，在CXCL9 ⁺ cDC2向LAMP3 ⁺ cDC过渡过程中，CXCL9的表达下调，IDO1的表达上调(图4G)，表明CXCL9 ⁺ cdc2在发展为cDC2衍生的LAMP3 ⁺ cDCs时获得了增强的免疫抑制功能。

接下来，通过比较肿瘤中cDC2亚群的组成，发现两种促炎cDC2亚群(FCN1 ⁺和IL1B ⁺)在不同肿瘤免疫应答中的作用表现出显著的差异。

5. 巨噬细胞亚群在不同肿瘤类型中表现出不同的转录组模式

图五  不同癌症类型中单核细胞和巨噬细胞亚群的特征

为了比较单核细胞和巨噬细胞亚群之间的关系，作者进行了如上所述的相似性分析。来自不同癌症类型的CD14 ⁺和CD16 ⁺单核细胞聚集成主要由组织来源分开的两个分支(图5A)，表明单核细胞亚群受局部组织生态系统的影响较小。此外，肿瘤浸润单核细胞具有表达更高水平的炎症因子和趋化因子(IL1B, CCL4, CXCL2和CXCR4)，细胞生长调节因子(AREG和EGR1)，组织常驻标记物(NR4A1, NR4A2, NLRP3)和核因子kB (NF-kB)信号基因(NFKB1和NFKBIA)。

值得注意的是，相似性分析未能将不同癌症类型中具有相同特征的巨噬细胞亚群准确聚在一起(图6A)，表明巨噬细胞亚群表现出高度的复杂性，这可能与局部组织微环境对巨噬细胞的主导作用有关。同样，根据最近发表的文章中强调的标记基因SPP1和C1QC的表达，发现SPP1在CRC和乳腺癌(BRCA)中倾向于与C1QC相互排斥，但在UCEC的一个亚组中与C1QC共同表达。因此，来自不同癌症类型的巨噬细胞亚群显示出异质转录组模式，需要单独分析以更好地描述它们的特性。

接下来，我们根据Ro/e分析定量了巨噬细胞亚群的组织富集(图5B)。多种癌症类型中的LYVE1 ⁺巨噬细胞优先富集于非癌症组织，类似于报道的组织驻留间质巨噬细胞。同样，NLRP3 ⁺巨噬细胞也在非癌组织中富集，可能代表了一簇促炎TRMs。此外，我们还发现了几个肿瘤富集的巨噬细胞亚群，这些亚群被标记为肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)，包括SPP1 ⁺ TAMs(图5C)、C1QC ⁺ TAMs、ISG15 ⁺ TAMs和FN1 ⁺ TAMs。ISG15 ⁺ TAMs上调多个干扰素诱导基因，而SPP1 ⁺ TAMs和C1QC ⁺ TAMs类似于最近描述的CRC中TAMs的二分类功能表型。我们进一步通过多色免疫组化证实了THCA中存在SPP1 ⁺ TAMs，肾癌(肾)中存在FN1 ⁺ TAMs。

6. 影响肿瘤浸润髓细胞组成的潜在因素

 图六  与TIM构成相关的因素

本研究利用大量样本检验了与不同TIM成分相关的多个因素。首先，在泛癌收集中探索了TIM成分和体细胞突变谱之间的关系，并发现了几个与髓细胞亚群比例相关的体细胞突变基因。值得注意的是， LAMP3 ⁺ cDC的比例与MUC4突变之间的负相关关系(图6B)， MUC4基因已知通过调节肿瘤细胞凋亡与肿瘤进展相关。此外，还发现肿瘤中细胞凋亡和炎症反应通路的突变与LAMP3 + cDCs的比例相关。值得注意的是，AXL与多种癌症进展有关，它是炎症反应通路中的突变基因之一，优先由cDC2和C1QC ⁺ TAMs表达。

作者还研究了TIM亚群的比例与肿瘤组织中基因上调的相关性，以揭示5种癌症类型中TIM可能的调节因子。其中PYCR1基因的表达与SPP1 ⁺巨噬细胞的比例呈正相关(图7E)。PYCR1编码一种参与脯氨酸生物合成的酶，在肿瘤组织中表达上调，但在THCA的CD45 +免疫细胞中未检测到。由于脯氨酸在维持细胞氧化还原平衡和防止细胞凋亡方面的作用，PYCR1正成为一个有吸引力的肿瘤靶点。THCA中PYCR1表达与SPP1 ⁺血管生成相关巨噬细胞之间的关系可能强调了SPP1 ⁺血管生成相关巨噬细胞潜在的促肿瘤作用。

讨论

肿瘤浸润髓系细胞(TIMs)是肿瘤进展中的关键调控因子，但它们在不同肿瘤中的异同性仍然是未知的。本研究泛癌分析，确定了不同癌症类型的TIMs的不同特征。研究发现，鼻咽癌中的肥大细胞与预后效果相关，并通过高水平的TNF⁺ /VEGFA ⁺细胞来抑制抗肿瘤表型。通过系统比较cDC1^-和cDC2^-来源的LAMP3 ⁺ cDCs，发现它们在转录因子和外部刺激方面存在差异。此外，促血管生成肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)在不同癌症类型中具有不同的标记，TIMs的组成似乎与体细胞突变和基因表达的某些特征有关。研究结果提供了高度异质性TIMs的系统观点，并为合理的、靶向的免疫治疗提供了途径。

 文：烟雨

排版：市场部

文献下载：

https://international.biocloud.net/zh/article/detail/33545035

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