今天给各位介绍这一篇近期发表在
Theranostics
上的文章，该团队利用单细胞测序技术联合空间转录组学，共同探究肺腺癌从癌前病变到侵袭性变化进展中的过程。究竟怎么样，我们一起看看吧！
标题：
An atlas of epithelial cell states and plasticity in lung adenocarcinoma
期刊：
Theranostics
（中科院
1
区
IF
：
12.4
）
PMID: 38418883
DOI: 10.1038/s41586-024-07113-9
一、
研究背景
原位肺腺癌
(AIS)
详细的细胞群和基因
变化
，以及它与
肺腺癌
（
LUAD
）
从
AIS
到
微浸润性腺癌
(MIA)
及浸润性腺癌
(IAC)
侵袭性进展相关的
细胞
空间信息仍然知之甚少
，因此，迫切需要测序技术来确定细胞类型特异性动态变化
。
二、
实验结果
图1. 本研究的研究设计和主要发现。
1
、
LUAD
细胞类型鉴定及侵袭
进展过程中的差异表达基因
结果
该团队首先收集了
AIS
、
MIA
、
IAC
各
3
个样本进行
scRNA-seq
测序（图
1
A
），经过质控总共获得了
115,246
个细胞，大致分为
C1
到
C10
的
10
个细胞谱系，其中
6
种细胞类型由经典的基因定义，包括上皮细胞、
T/NK
细胞、
B
细胞、骨髓细胞、内皮细胞 、成纤维细胞（图
1
B-C
）。使用
IF
来校准细胞的基因标记物的表达
(
图
1D)
。为进一步探讨
LUAD
侵袭过程的机制，研究人员比较了每种细胞类型的基因表达模式，
MIA
和
AIS (M/A)
组之间有
512
个上调和
332
个下调的
DEG
，
IAC
和
MIA (I/M)
组之间有
199
个上调和
347
个下调的
DEG
，
IAC
和
AIS (I/A)
组之间有
393
个上调和
345
个下调
DEG
。
并且
，
I/A
组中
近
一半上调的
DEG
在
M/A
组中已经可检测到（图
1
E-F
）。
DEG
的
PCA
显示
MIA
和
IAC
在转录组水平上非常接近（图
1G
），
这
进一步揭示了
LUAD
三个不同阶段的丰富细胞类型（图
1
H
）。
2、上皮细胞的亚群鉴定及LUAD的起源
为了确认启动
LUAD
侵袭的关键癌细胞亚簇，
该团队
将上皮细胞重新
分析
聚类为
8
个亚群，包括肺泡
I
型、肺泡
II
型、
Clara
细胞 、纤毛细胞
等
4
个正常上皮亚群
和
Clara-like
、
TM4SF1+
、
CRABP2+
、
UBE2C+
这
4
个癌细胞亚群。相对于另外两个癌细胞亚群，
TM4SF1+
和
UBE2C+
癌细胞亚群比例在
LUAD
侵袭过程中不断增加，在
IAC
中急剧升高，并且从
AIS
到
MIA
，
UBE2C +
亚型的比例变化比
TM4SF1+
亚型更
为显著
（图
2
C
）。
IF
和
bulk RNA-seq
的结果也证实
了
UBE2C +
亚型癌细胞从
AIS
逐渐稳定地增加到
IAC
（图
2
D-E
）。
接着该团队
通过
TCGA-LUAD
数据库
也
验证了
UBE2C+
癌细胞对
LUAD
患者预后的影响，发现它可以作为
LUAD
预后的生物标志物（图
2
F
）。
ssGSEA
分析发现，
UBE2C+
癌细胞主要富集
于
MYC
靶点
V1
、细胞周期、
AKT
和
TGF-β
信号通路等，这
类
细胞可能通过这些途径促进癌症的
发生发展
（图
2
G
）。
并且
拟时序分析结果表明，
UBE2C+
癌细
胞是分化最差的癌细胞类型和终末细胞类型（图
2
H
）
。
图2. UBE2C+细胞亚群参与LUAD的整个侵袭过程。
3、UBE2C+细胞亚群参与LUAD 的整个侵袭过程
体外实验证
明
UBE2C
通过影响
LUAD
增殖和侵袭
性
来介导
LUAD
的恶性
病理生理过程
（图
3C-D
）。此外，体内实验表明
敲低
UBE2C
能
显着
抑制
皮下肿瘤的生长（图
3E-G
）。这些结果表明
UBE2C
介导
LUAD
细胞的增殖和转移。
图3. 高表达UBE2C促进肺腺癌细胞的侵袭和转移。
4、LUAD侵袭中不同TME细胞亚群的研究
接着该团队开始探索不同
类型
TME细胞在LUAD侵袭过程中的变化，对主要细胞群进行了进一步研究。将T/NK细胞重新聚类为8个亚群、骨髓细胞重新聚类为10个亚群（图4 A）。结果发现，TPSB2 +肥大细胞和FCN1 +单核细胞占比从AIS和MIA到IAC逐渐持续下降，GNLY +NK细胞占比仅从AIS到MIA增加，而FOXP3 +Tregs的丰度从MIA到IAC显着升高（图4B）。通过bulk RNA-seq和IF进一步证实了细胞亚群变化的情况（图4 C-D）。接下来使用GSVA分析细胞亚群变化中涉及的潜在标志信号通路，细胞周期和细胞生长或增殖相关途径，如PI3K/AKT/MTOR信号等在GNLY+NK和Foxp3+NK中高度富集，WNT和干扰素信号等在TPSB2 +肥大细胞和FCN1+单核细胞富集（图4 E-F）。基于以上结果，该团队提出假设：Tregs 增加和单核细胞减少介导肿瘤相关通路的激活可促进早期LUAD侵袭。
图4 免疫细胞浸润在早期LUAD侵袭过程中的作用。
5、TGF-β信号通路在晚期LUAD的侵袭中发挥关键作用
CellChat
分析结果揭示
LUAD
中细胞之间的前十个相互作用途径（图
5
A
）。在
AIS
和
MIA
中没有观察到癌细胞和
TME
细胞之间通过
TGF-β
信号传导进行的通讯，但这种相互作用在
IAC
中显着加强，特别是在
NK
细胞
、肥大
细胞
和
MALT B
细胞中（图
5
B)
。进一步的分析发现，与
AIS
和
MIA
相比，癌细胞和
TME
细胞中
TGF-β
配体的水平在
IAC
中广泛上调（图
5
C
）。同样的，下游靶基因以及
TGF-β
途径的下游因子
p-SMAD2
的表达水平在
IAC
中高度激活（图
5
D-E
）。这些结果意味着癌细胞和
TME
细胞
之间
TGF-β
信号传导的通讯和相互作用在
IAC
中诱导的
TGF-β
信号传导的无限制激活可能在晚期
LUAD
的侵袭中发挥关键作用。
图5 TGF-β信号通路在癌症细胞和TME间的对话作用图谱。
6. 癌症区域Tregs的空间分布介导LUAD侵袭
将
AIS
、
MIA
、
IAC
各
2
个样本进一步进行
空间转录组分析
。基于
HE
染色，将样本分为四个不同的组织学区域，包括癌区域、正常上皮区域、基质区域和淋巴区域。
并
通过
marker
基因的表达进一步证实了空间划分的准确性。如预期，
TM4SF1+
癌细胞、
GNLY+NK
细胞、
NKG7+NK
和
TPSB2+
肥大细胞在癌症中共定位，但未发现
FOXP3+ Tregs
（图
6
D
）。同样
地，
两例
IAC
对应的空间和细胞数据也清晰
地
区分
为
四个区域。
其中
TM4SF1 +
癌细胞和
UBE2C+
癌细胞在癌症区域富集，
CAF
（
Fib-1
）和
FOXP3+Tregs
与癌细胞亚群共定位。与
AIS
相比，
IAC
癌症脉管系统区域呈现出更明显的血管数量和更高表达水平的
VEGFs
，相反，
AIS
没有明显的差异（图
6
E-G
）。这一发现表明血管生成可能对
LUAD
的侵袭过程有
促进作用
。
图6 TME空间分布对早期LUAD侵袭的影响。
7、ST分析癌边缘区域比癌中心区域更活跃
为了进一步了解
scRNA-seq
确定的四个癌症亚群的空间分布和生物学意义，
该团队
将癌症区域重新聚集为亚区。
AIS
的
TD8
样本，由中央区
(
黑色
)
和外围区域
(
红色
)
组成。结果发现，
Clar-like
癌细胞在外围区域高度富集，中央区域以
TM4SF1+
癌细胞为主。
Wnt/β-Catenin
、血管生成通路等致癌信号在外围区域高度。值得注意的是，与
TGF-β
信号通路相关的基因在中心区域高表达
(
图
7
E
）。最后，分析
IAC
样本
表明
，中心区域和外围区域都高度富集
TM4SF1+
癌细胞和
UBE2C+
癌细胞，特别是区域
5
，
TGF-β
信号通路相关的基因在癌区
5
高表达（图
7
C-E
）。总之，这些发现表明
UBE2C+
癌细胞亚群在驱动
AIS
到
MIA
过程中起着至关重要的作用，癌细胞与
TME
之间的
TGF-β
信号相互作用以及调节免疫逃逸的空间变化
都
与
LUAD
侵袭
性进展
有关（图
7
G
）。
图
7
癌细胞的空间异质性。
三、
总结
该团队运用单细胞
RNA
测序
(scRNA-seq)
联合
空间转录组学
(ST)
技术
，
发现
肺腺癌（
LUAD
）侵袭过程中的动态
变化
和连续
进展
过程中涉及的细胞和空间
状态
。研究发现，
UBE2C+
癌细胞亚群在
LUAD
侵袭过程中不断增加，其空间分布
主要集中
在浸润性腺癌（
IAC
）的周边癌区域。此外，对
TME
细胞类型亚群的分析显示肥大细胞、单核细胞和淋巴内皮细胞不断减少，这些细胞参与了侵袭性
LUAD
的整个过程。同时，从
AIS
到
MIA
过程中
的
NK
细胞和
MALT B
细胞增加，从
MIA
到
IAC
过程中
，
Treg
细胞和分
泌性
B
细胞有所增加。值得注意的是，对于
AIS
，癌细胞、
NK
细胞和肥大细胞共定位，对于
IAC
，
Tregs
与癌细胞共定位。最后，癌细胞与
TME
细胞诱导的
TGF-β
信号通路的通讯和相互作用参与了
IAC
的侵袭。研究结果揭示了癌细胞和
TME
亚群的特定细胞信息和空间结构，以及它们之间的细胞相互作用，这将有助于
未来
在
LUAD
从
AIS
