人原发性前列腺癌的单细胞分析揭示了肿瘤相关上皮细胞状态的异质性
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前言
文章题目：Single-cell analysis of human primary prostate cancer reveals the heterogeneity of tumor-associated epithelial cell states
日期：2021-08-19
期刊：Nature Communications
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27322-4
摘要
前列腺由多种细胞类型组成，包括上皮细胞、基质细胞和免疫细胞，每种细胞都有专门的基因表达谱。前列腺癌是全球男性第二常见的恶性肿瘤，由肿瘤细胞和非肿瘤细胞类型混合而成。
为了表征前列腺癌肿瘤微环境，作者对来自局部前列腺癌患者的前列腺活检、前列腺切除术标本和患者衍生的类器官进行单细胞 RNA 测序。发现了前列腺上皮细胞中的异质细胞状态，这些细胞状态以富含前列腺癌的高雄激素信号状态为标志，并确定了可能与前列腺癌发生相关的肿瘤相关细胞群。ERG阴性肿瘤细胞，与ERG相比阳性细胞，表现出与周围腔上皮细胞共有的异质性，似乎会引起常见的肿瘤微环境反应。前列腺上皮类器官具有与肿瘤相关的上皮细胞状态，并且富含来自其母体组织的不同细胞类型和状态。
局部前列腺癌中主要细胞类型的鉴定
从患有局部前列腺癌的男性的经直肠前列腺活检和根治性前列腺切除术（RP）标本中获得了前列腺癌组织【N = 11 名患者，其中活检患者（N = 3）、RP 肿瘤标本（N = 8）】和 RP 配对正常组织（N = 4），使用改进的 Seq-well 单细胞平台分离单细胞用于 scRNA-seq，总共得到 21,743 个细胞，并鉴定了总共 9种不同的主要细胞类型。
细胞被注释为上皮细胞、基质细胞（内皮细胞、成纤维细胞和平滑肌）和免疫细胞（T 细胞、骨髓细胞、浆细胞、肥大细胞和 B 细胞）
基于管腔上皮 (LE) 标志物KLK3、ACPP和MSMB的表达鉴定上皮细胞 ( N = 13,322) 基于PTPRC的高水平表达鉴定免疫细胞在五个簇中，其中一个簇以IL7R、CD8A和CD69的高水平表达为标志，表明 CD8 和 CD4 T 细胞的混合物；第二个簇的特征是骨髓细胞标志物APOE、LYZ和IL1B；第三个PTPRC+ 簇代表以MZB1和IGJ 高水平表达为标志的浆细胞。其余两个PTPRC+ 簇被注释为表达CPA3、KIT和TPSAB1的肥大细胞，以及表达MS4A1、CD22和CD79A的 B 细胞群 基质细胞由以CLDN5和SELE表达为特征的内皮细胞、表达C1S 、DCN和C7的成纤维细胞以及表达ACTA2、MYH11和RGS5 的平滑肌细胞组成
在每个样本中捕获了所有主要细胞类型，其中上皮细胞构成了最大的群体
利用上皮细胞揭示肿瘤细胞和周围的非肿瘤上皮细胞异质性
上皮细胞又继续使用UMAP细分为20个亚群
具有KRT5、KRT15、KRT17和TP63表达的簇和显著上调的基底上皮 (BE) 特征评分被确定为 BE 细胞 鉴于肿瘤细胞主要表达 LE 细胞标志物，如KLK2、KLK3、ACPP和NKX3-1，具有高 LE 特征评分的簇可能是肿瘤细胞或非恶性 LE 细胞 BE 和 LE 特征图还揭示了一个细胞簇（c5），称为其他上皮（OE）细胞
除了这三种主要类型的上皮细胞外，接下来的目标是识别肿瘤细胞。来自欧洲血统患者的大约 50% 的 PCa 肿瘤具有TMPRSS2-ERG融合事件，并且较少发生其他 ETS 融合事件（ETV1、ETV4、ETV5）。因此，测试了细胞的ERG、ETV1、ETV4或ETV5表达，分别标记为ERG - 阴性（ERG-) 和阳性（ERG+)肿瘤细胞
之后又看了每种细胞类型的前十个marker gene
BE 细胞显示出已建立的基底上皮细胞标志物KRT5、KRT15和KRT17的高表达 OE 细胞中的生物标志物是PSCA、PIGR、MMP7、SCGB1A1和LTF，其中PSCA在 PCa中上调，而SCGB1A1是肺棒状细胞的标志物 ERG+ 和ERG− 肿瘤细胞和非恶性LE细胞均表现出高表达的管腔标志物KLK3、KLK2和ACPP ERG+ 肿瘤细胞的特征在于ERG和肿瘤标志物PCA3、AMACR和TRPM8 的表达 ERG- 肿瘤细胞以肿瘤标志物PCA3和TRPM8为标志
前人正常人前列腺的研究报告了两种其他上皮细胞群：以KRT13、SERPINB1、CLDN4和APOBEC2表达为特征的hillock细胞和以SCGB3A1、PIGR、MMP7、CP和LCN2表达为特征的club细胞。这里发现OE和club细胞的特征基因表达存在很大重合，因此这里将OE命名为club cell
研究PCa的club细胞
PCa 中的club细胞以前没有报道过。由于仅在 PCa 样本中捕获了club细胞而不是hillock细胞，于是假设club细胞可能与致癌作用有关，并且 PCa 的club细胞可能在某些细胞状态下富集。
为了检验这一假设，作者将前列腺癌club细胞 (Club PCa) 与先前研究中的健康对照(Club Normal) 正常club细胞相结合，发现PCa club细胞表现出脂质运载蛋白 2 ( LCN2）和生长抑制细胞因子SCGB3A1的下调；LTF 、 AR和AR下游成员（包括KLK3、KLK2、ACPP和NKX3-1 ）的上调，可能由其中特定状态的club细胞驱动。
之后又将混合的细胞分成6群，c 0 中最显著上调的基因组是 Hallmark 雄激素反应途径，对应了c 0 中下游AR通路基因的上调。
ERG+ 和ERG- 肿瘤细胞的比较
分别分析了ERG+ 和ERG- 肿瘤细胞类型的结构区别，以识别不同的潜在细胞状态。ERG+ 肿瘤细胞以患者特异性方式聚集，而 ERG- 肿瘤细胞没有观察到这种模式，因为大多数ERG- 肿瘤细胞状态包含超过一名患者。
ERG+ 和ERG- 肿瘤细胞之间的转录差异表明它们可能在肿瘤微环境中引起不同的反应。为了鉴定肿瘤相关免疫细胞以及特定免疫细胞类型是否在ERG+ 或ERG- 样本中差异富集，分析了 T 细胞群并鉴定了 CD4 和 CD8 T 细胞、调节性 T 细胞 (Treg) 和基于差异表达基因的NK细胞。
根据患者的ERG状态对基质细胞进行分群，并确定了三个不同的群体，包括内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞，在这三种基质细胞类型中，成纤维细胞在ERG+ 患者中显示出富集
ERG- 患者中 14 种常见的上调基因包括 Reactome PD-1 和Reactome的干扰素-γ 信号传导基因家族，据报道它们都在晚期前列腺癌中上调，并且发现与ERG+ 细胞群相比， ERG- 患者富集的 CD4 T 细胞、肿瘤细胞和基质细胞的 HLA 基因家族的表达量更高
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