Cell：癌前病变图谱——结直肠息肉恶性演变路径 | Cell Press青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第四十六期（总第83期）专栏文章，由北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心 中国科学院青促会会员 张大可，就 Cell 中的论文发表述评。

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单细胞转录组测序技术（scRNA-seq）在生命科学领域的爆发式推进，拓展领域认知，尤其是人体组织器官发育中的庞大细胞谱系得以迅速刻画，最终人体发育中的全部基因程序必将得以解析。肿瘤单细胞转录组研究也正如火如荼，单个细胞层面的数据积累，不但更为细致展示出肿瘤细胞群体异质性及演化进程，也更准确地描述浸润免疫细胞的组成及特征。然而，肿瘤作为细胞恶变的最终阶段，无法用来明确正常细胞演变至肿瘤细胞过程的差异，或者同组织不同类型细胞向肿瘤细胞演进中所选择的“路径”，更无法进一步将这种路径差异与肿瘤阶段的特征关联起来，因此越来越多的研究聚焦癌前病变阶段，把这种探索推进到肿瘤形成前的阶段。2018年，10篇Cell论文发布癌症基因组图谱（TCGA）联盟的泛癌图谱（Pan-Cancer Atlas）成为TCGA的重要里程碑，同年，美国国家癌症研究所发起一项名为癌前图谱PreCancer atlas（PCA）计划，推动致癌因素在肿瘤形成前分子机制的解析。

超过90%以上的结直肠癌起源于腺瘤，但这类癌前病变中仅有很少一部分进展为肿瘤，准确判断出有恶变潜力的腺瘤是一个不小的挑战。为此，范德堡大学细胞生物学教授Robert Coffey, 系统生物学家Ken Lau博士以及肿瘤流行病学家Martha Shrubsole博士发起结肠图谱计划（COLON Map），隶属PCA，最新进展文章于12月14日发表在Cell 杂志。研究团队对患者同一息肉样本完成scRNA-seq、外显子组（Exome-seq）、多重免疫荧光（MxIF）及多重免疫组化（MxIHC）分析（图1A），发现传统腺瘤起源于干细胞扩增，而锯齿状息肉源于细胞化生。这两种路径形成的病变组织具备不同的免疫微环境特征，其中化生起源的锯齿状息肉展现出以CD8⁺T细胞增多为特征的细胞毒性免疫微环境，且这种免疫改变早于肿瘤基因组超突变（hypermutation）的形成。该研究不但为结直肠癌发生发展的分子机制提供新见解，更可作为整合基因组学、组织病理、动物模型多维度解析scRNA-seq数据生物学意义的完整新路线。

▲图1 人类结肠癌前病变的特征改变。（A）实验设计：样本采集及相应组学分析。（B）正常结肠组织及不同类型息肉的HE染色。（C）息肉基因组外显子测序结果的瀑布图（Oncoplot）：上方组装图显示每个样本的突变负荷（Mutation Burden）；下方色块被深灰色框分组展示不同分子信号通路中结直肠癌驱动基因的突变。

DNA突变作为肿瘤标志物，驱动肿瘤的发生及演化。研究团队首先基于Exome-seq分析后续进行scRNA-seq样本的基因组变异（图1C），发现传统腺瘤中APC、KRAS基因突变常见，而锯齿状息肉则多见BRAF基因突变，并通过独立的281个样本的靶向基因测序验证了该结论。息肉样本不可避免地带有大量正常细胞群体（图1B），研究团队利用来源于不同样本中正常上皮细胞和免疫细胞的UMAP降维聚类结果，评估scRNA-seq实验的批次效应，并基于SCENIC （single-cell regulatory network inference and clustering）方法鉴定出7种正常上皮细胞亚群：吸收细胞（ABS，absorptive cell）、隐窝顶部结肠细胞（CT，crypt top colonocytes）、内分泌细胞（EE enteroendocfine cells）、杯状细胞 （GOB，goblet cells）、干细胞（STM，stem cells）、过渡放大细胞（TAC，transit amplifing cells）及肠道簇细胞（TUF，tuft cells）（图2A）。在两组样本中，都发现两类数量最多的细胞：一类在传统腺瘤中富集，被命名为ASC（adenoma specific cells）；另一类在锯齿状息肉中富集，被命名为SSC（serrated specific cells） （图2B-C）。

▲图2 人类结肠癌前病变的单细胞表达及调控网络。

通过对比ASC和SSC细胞群与其他正常细胞群的基因程序和激活通路，研究团队发现两类细胞展现出不同的功能活性。ASC细胞更像结肠中的干细胞和前体细胞，并且具备WNT通路的激活，CytoTRACE发育潜能评分亦支持此类细胞较高的干细胞潜能，提示此类细胞代表传统腺瘤中因为APC基因失活引发WNT依赖的干细胞扩增导致肿瘤产生。与ASC不同，SSC细胞群没有WN T通路激活及干细胞活性特征，其转录谱更接近吸收细胞谱系，然而在没有分泌细胞转录因子ATOH1及其共表达模块（Regulon）存在的前提下，出现杯状细胞功能基因TFF3和MUC2的表达，高表达基因中甚至出现一些胃上皮常见表达基因，展现出一种混合的细胞身份（mixed cellular identity）。根据ASC和SSC细胞群的特征，研究团队提出锯齿状息肉的肿瘤发生为基于分化细胞的“从上到下”模型，而传统腺瘤的肿瘤发生为基于干细胞的“从下到上”模型。

不同类型息肉的免疫荧光和免疫组化结果表明，干细胞标志物OLF M4和SOX9在传统腺瘤中高表达，而SSC细胞群高表达的MUC5AC仅在不同类型锯齿状息肉中高表达（图A-D）。有意思的是，MUC5AC阳性的新生细胞常位于肠隐窝顶部，而MUC5AC阴性正常细胞往往在隐窝底部。结合一些肠腔表面样本及溃疡性结肠炎样本的MUC5AC高表达，他们推断肠腔表面反复刺激导致细胞化生进一步形成不可修复损伤可能是导致锯齿状息肉形成的原因。进一步，团队利用p-Creode完成单细胞数据中观测的所有亚群细胞命运的过渡轨迹推断，并利用RNA速度（RNA velocity）展示出ASC起源与干细胞，而SSC细胞群更可能起源于非干细胞（图3E-F）。

▲图3 癌前病变细胞起源推断。

以往研究认为传统腺瘤形成微卫星稳定的结直肠癌（MSS CRC），而锯齿状息肉发展成为微卫星不稳定型（MSI- H CRC）。研究团队对两类CRC也进行了单细胞转录组测序及突变分析确定了相应演化关系，但发现锯齿状息肉并未有MSI-H CRC的超突变。进一步对免疫细胞分析发现，SSC细胞群与MSI-H CRC相同，均出现 CD8⁺ T细胞的显著增多。为了证明这种锯齿状息肉特征性的细胞毒性反应是肿瘤细胞状态必须且早于基因组超突变形成，团队引入不同类型肿瘤特异的基因组变异构建小鼠模型，成功发现只有BRAF突变小鼠模型（锯齿状息肉特征突变）的肿瘤中才出现CD8⁺T细胞的显著浸润。之后，团队基于小鼠模型也进行了相应单细胞组学分析，继续细致探讨了不同类型肿瘤中的免疫状态、细胞干性与抗原递呈机制间的关系等。

综上，研究团队结合深厚的息肉领域细胞生物学认识的积累，结合完备的组织病理分析体系，在癌前病变演化的问题框架下，展示了基于多组学技术深入挖掘生物学意义的创新路径，为探索肿瘤发展中不同细胞群体差异演化路径给出经典示范，其中揭示的肿瘤内部基因程序的特征、免疫微环境的差异等，为结直肠息肉的精准分子分型提供了新依据，肠道细胞损伤诱发与积累为病变预防提供了明确评估的方向。

论文摘要

结直肠癌(CRCs)源于结直肠息肉，高分辨率解析息肉的细胞起源、分子异质性和免疫原性潜力为相关疾病的诊断和治疗提供新见解。我们提出了两种最常见的人类结直肠息肉，传统腺瘤和锯齿状息肉，以及它们对应发展为CRC类型的单细胞转录组和成像图谱。综合分析来自62名参与者的128个数据集显示，传统腺瘤源于WNT驱动的干细胞扩张，而锯齿状息肉源于胃化生分化的细胞。化生相关的损伤与超突变前的细胞毒性免疫微环境耦合，部分由与肿瘤细胞分化状态相关的抗原呈递差异驱动。微卫星不稳定CRCs含有明显的非化生区域，肿瘤细胞在此获得干细胞特性并形成细胞毒性免疫细胞枯竭。我们的多组学图谱提供了对结直肠息肉恶性发展及其微环境的洞察，为CRC的精确监测和预防提供了框架。

Colorectal cancers (CRCs) arise from precursor polyps whose cellular origins, molecular heterogeneity, and immunogenic potential may reveal diagnostic and therapeutic insights when analyzed at high resolution. We present a single-cell transcriptomic and imaging atlas of the two most common human colorectal polyps, conventional adenomas and serrated polyps, and their resulting CRC counterparts. Integrative analysis of 128 datasets from 62 participants reveals adenomas arise from WNT-driven expansion of stem cells, while serrated polyps derive from differentiated cells through gastric metaplasia. Metaplasia-associated damage is coupled to a cytotoxic immune microenvironment preceding hypermutation, driven partly by antigen presentation differences associated with tumor cell-differentiation status. Microsatellite unstable CRCs contain distinct non-metaplastic regions where tumor cells acquire stem properties and cytotoxic immune cells are depleted. Our multi-omic atlas provides insights into malignant progression of colorectal polyps and their microenvironment, serving as a framework for precision surveillance and prevention of CRC.

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述评人简介

张大可

北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心

中国科学院青促会会员

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张大可，中国科学院青年创新促进会会员，北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心副研究员，中国抗癌学会肿瘤测序及大数据分析专家委员会委员。主要从事转化基因组学研究，拓展基因组学技术在临床诊疗中的应用，在包括肝癌、结直肠高低级别腺瘤等消化道肿瘤的标志物研究中取得系列研究进展。第一/通讯作者SCI论文包括BMC Medicine, Clinical Epigenetics, Clinical Microbiology and Infection, Genomics Proteomics & Bioinformatics, Hepatology International等主流期刊上发表论文30余篇。目前担任北航生医高精尖Medicine in Novel Technology and Devices杂志编委，国家消化系疾病临床医学研究中心（上海）Cancer Screening and Prevention杂志编委。

Dake Zhang, is an associate professor Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering, Beihang University. He has been a “Member of Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences” since 2016. His research focuses on translational genomics and applies genomic techniques in clinical diagnosis and therapies. He has published over 30 papers in SCI indexed journals such as BMC Medicine, Clinical Epigenetics, Clinical Microbiology and Infection, Genomics Proteomics & Bioinformatics, Hepatology International, etc. He is in the Editorial Board of Medicine in Novel Technology and Devices, the official journal of Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering, Beihang University, and also Cancer Screening and Prevention, the official journal of the National Clinical Research Center for Digestive Diseases (Shanghai).

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊 Cell 上，

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