單細胞空間轉錄組聯合分析揭示與胰腺癌預后不良相關的中間態癌細胞群
期刊：Genome Med
影響因子：10.4
主要技術：單細胞轉錄組測序,空間轉錄組測序
導語
胰腺癌腫瘤微環境異質性，及其分子特征尚未闡明。作者從17個胰腺腫瘤組織中富集非免疫細胞進行單細胞RNA測序，并選取其中7個樣本生成對應的空間轉錄組數據。確定了胰腺癌細胞中五個不同的功能亞群和六個癌癥相關成纖維細胞群。深入分析這些亞群成功地解卷積了胰腺癌批量轉錄組分析中提出的大多數特征。在這些亞群中，作者發現了一個新的癌細胞亞群Ep_VGLL1，與不良預后相關。Ep_VGLL1的分子特征表明其具有基底樣亞型和經典亞型之間的過渡性質。這種綜合分析不僅提供了胰腺癌和成纖維細胞群體的全面景觀，還提出了對胰腺癌細胞動態狀態的新見解，揭示了潛在的治療靶點。
思路圖
技術服務
單細胞轉錄組測序、空間轉錄組測序
研究結果
1. 胰腺癌細胞和CAF的單細胞圖譜
為了解釋癌細胞和CAF的異質性，作者對來自17名胰腺腫瘤患者（16名胰腺癌和1名具有IPMN病理的HGD）的手術樣品的CD45陰性細胞進行單細胞RNA測序。鑒定了五種主要細胞類型：上皮細胞、成纖維細胞、雪旺細胞、內皮細胞和星狀細胞。通過拷貝數變化鑒定了癌細胞群,主要位于上皮細胞群。
2. 胰腺癌上皮細胞和成纖維細胞群的特征分析
胰腺癌上皮細胞可細分為9個亞群，均可以通過特異性marker基因鑒定。Ep_FXYD2簇中的大多數細胞具有野生型KRAS序列，作者猜測該細胞是惡變前導管樣細胞。Ep_CDK1簇是增殖的癌上皮細胞，由突出的細胞周期特征鑒定。通過從Ep_CDK1簇以外的上皮細胞訓練邏輯回歸模型來鑒定組成Ep_CDK1簇的細胞的原始身份，結果顯示癌細胞群中，Ep_TRIM 54、Ep_KRT 6A和Ep_VGLL1在循環細胞群中富集，這意味著這些上皮亞簇比其他上皮亞簇相對更具增殖性。
成纖維細胞被分成八個亞群。通過將特異性marker基因與“Fb”前綴組合，產生了六個不同的胰腺CAF簇。通過分析各細胞簇的特征，發現Fb_SFRP1：iCAF（炎性CAF）、Fb_LRRC15：myCAF（成肌細胞CAF）、Fb_MSLN：apCAF（抗原呈遞CAF）、Fb_VIT：成纖維細胞祖細胞群體，并使用RNA原位雜交，驗證了人PDAC組織中Fb_VIT的存在。
3. 人群聚類識別胰腺癌的病理和分子亞型
在詳細解析了胰腺癌組織中癌細胞和CAF群體的亞群特征后，作者考慮是否可以基于這些簇的特征對患者進行分型。基于癌細胞和CAF簇的比例，對患者進行分層聚類，產生了三個單獨的患者組（hClust 0 -2）。通過比較臨床數據，發現四個IPMN樣品中的三個屬于hClust 0，晚期疾病狀態在hClust 1和hClust 2中富集。每個患者簇可以通過特異性癌細胞簇的顯著富集來標記：hClust 0：Ep_MSMB， hClust 1：Ep_TRIM54，hClust 2：Ep_KRT6A和Ep_VGLL1。
4. Ep_VGLL1是一種新的與預后不良相關的胰腺癌細胞群
接下來，作者使用來自TCGA和ICGC的公共批量轉錄組數據評估了癌癥和CAF簇的預后價值。在所有上皮和成纖維細胞亞群中，只有Ep_KRT 6A和Ep_VGLL1的標志物與不良預后有關。由于高Ep_KRT6A組顯示基底樣特征，其不良預后是可預測的，但Ep_VGLL1簇未顯示先前定義的任何特定模式。通路富集分析顯示，與Ep_VGLL1相比，Ep_KRT6A表達更高水平的上皮-間充質轉化（EMT）特征，且Ep_KRT6A評分與癌細胞間的EMT評分正相關，而Ep_VGLL1評分完全不相關，說明Ep_KRT6A和Ep_VGLL1是兩種完全不同的癌細胞群。
圖 4
5. 解析調控胰腺癌細胞簇的轉錄因子網絡
為了鑒定癌細胞簇的生物學特征，作者使用SCENIC分析每個癌細胞簇的轉錄因子（TF）活性，重建了基于相關性的TF網絡。作者鑒定了一組Ep_VGLL1簇中高活性的TF。這些TF位于連接“IPMN相關”/“導管相關”/“經典”組與“基底樣”組的連接處。該模式也在基于TF活性的擴散圖和PCA投影中再現，其將該TF簇定位在“經典”和“基底樣”簇的中點處。基于這些特征，作者猜測Ep_VGLL1代表連接經典癌細胞和基底樣癌細胞的過渡性癌細胞群，并將Ep_VGLL1特異性TF注釋為“過渡性”TF。
Ep_VGLL1顯示出S0X4和KLF5高活性，而SOX4和KLF5之間的互作關系是驅動SMAD4缺陷胰腺癌細胞中腫瘤發生的分子機制，作者猜測Ep_VGLL1代表由TGF-β驅動的SMAD4缺陷致癌過程中的癌細胞。進一步分析Ep_VGLL1的分子特征，發現Ep_VGLL1獲得了TGF-β抗性和Wnt-獨立性，但仍保持上皮細胞特征。據報道，在FOLFIRINOX治療下，胰腺癌腫瘤球狀體細胞通過癌癥內在機制發生經典向基底樣轉變。隨后作者在本數據集追蹤了這一轉變過程，結果發現具有中間特征的亞群Ep_VGLL1可能代表基底樣癌細胞和經典類型癌細胞之間的過渡群體。
圖 6
6. 空間轉錄組數據解析人類胰腺癌中癌癥亞簇和相關特征
基于以上分析結果，作者試圖解析人類胰腺癌的空間復雜性。通過單細胞空轉數據聯合分析，解析出了所有細胞類型、癌細胞亞群和成纖維細胞亞群的空間定位模式。分析發現Ep_VGLL1與 Ep_TRIM54 和Ep_KRT6A 在空間上相關，但這兩個群（分別代表胰腺癌經典亞型和基底樣亞型）并不直接相鄰。這種空間關系進一步證實了以上結論：Ep_VGLL1是胰腺癌經典亞型和基底樣亞型之間的橋接細胞群。癌細胞附近與較遠區域的細胞類型明顯不同，Fb_LRRC15（myCAF）的空間分布與胰腺癌細胞分布高度相關，而Fb_SFRP1（iCAF）細胞位于癌細胞遠端。
參考文獻：
Kim S, Leem G, Choi J, et al (2024) Integrative analysis of spatial and single-cell transcriptome data from human pancreatic cancer reveals an intermediate cancer cell population associated with poor prognosis. Genome Med 16:20. https://doi.org/10.1186/s13073-024-01287-7
