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《细胞》子刊:耐药癌细胞的鼻祖找到了!

作者:小D|2020年08月11日| 浏览:954

近日,MSKCC、MIT和博德研究所三所顶级研究机构,联合在著名期刊《癌细胞》上发表了一项重磅研究成果[1]。

他们在肺腺癌的发展过程中发现了一种从来没有被报道过的癌细胞状态——“高可塑性癌细胞状态”(HPCS),这类癌细胞有些不同寻常,它看起来不像肺癌细胞,因为它表现出胚胎滋养层干细胞、软骨干细胞,甚至肾脏细胞的特征。

此外,它还可以形成多种其他不同类型的细胞,近乎肿瘤中所异质性癌细胞的鼻祖,但它又不是癌干细胞,因为它在癌症发展的早期才出现,一直贯穿到肿瘤发展的晚期,而且它的分子特征与癌干细胞差异非常大。最重要的是,这种细胞与肿瘤的耐药和患者的预后差密切相关。

“HPCS是我们在肿瘤中看到的异质性癌细胞的起点,”本研究通讯作者之一,MSKCC的癌症生物学家和遗传学家Tuomas Tammela说[2],“它就像一个由许多道路组成的繁忙十字路口,无论肿瘤想获得哪种癌细胞,都必须经过HPCS这种细胞状态。”

由于HPCS几乎产生了肿瘤中出现的所有异质性癌细胞,因此它是克服肿瘤耐药性的一个非常有潜力的治疗靶标,阻止HPCS的形成,或者直接杀死HPCS,有可能避免耐药性的出现,让患者获得更持久的疗效。

博得研究所的Aviv Regev和MIT的Tyler Jacks是本研究的另外两位通讯作者。

▲ 论文截图

耐药复发是治疗癌症的一大难题。

因为肿瘤存在异质性[3],所以促进肿瘤进展和耐药的细胞状态其实是一直存在于肿瘤中的,药物只是选择性杀死了不耐药的癌细胞,而那些耐药的癌细胞很多时候会卷土重来。

因此,了解肿瘤演化过程中肿瘤内异质性是如何产生和维持的,对于开发有效的抗癌药物非常重要。遗憾的是,我们对于肿瘤是如何从单个细胞演化成恶性异质组织的过程仍然知之甚少,尤其是肿瘤形成的早期,肿瘤难发现,样本难获取。

实际上,对于肿瘤早期的发展过程研究,上面的难题依然存在。不过这支顶级研究团队将突破口放在了单细胞RNA测序(scRNA-seq)和人类癌症的基因工程小鼠模型(GEMMs)这两项技术上。

将上面两项技术结合在一起,就可以研究肿瘤形成的全过程。

Tammela和他的同事们基于39只肺腺癌基因工程小鼠模型,在肺腺癌发展的8个不同阶段取肿瘤组织做单细胞RNA测序,最终得到了3891个高质量、全长的单细胞转录组数据,涵盖从正常肺细胞到完全形成肺腺癌的整个阶段

▲ 实验流程

然后通过无监督的聚类分析[4],根据表达谱,确定了12类不同表达模式的细胞类型,这个结果表明,随着肿瘤的进展,细胞表型异质性不断增加,尤其是采样时间靠后的肿瘤组织样本,异质性更强

▲ 生长不同时间肿瘤的差异

那肺腺癌的这种强烈的异质性是哪里来的呢?

根据之前的研究成果,肺腺癌中存在大量的染色体拷贝数变异(CNVs),而不是点突变[5]。那么肺腺癌的瘤内异质性是不是染色体拷贝数变异导致的呢?

结果染色体拷贝数变异与细胞状态多样性之间关系不密切,那些有相同表达模式的细胞类型,染色体拷贝数变异不相同,而那些染色体拷贝数变异类似的癌细胞在转录组上差异巨大。

▲ 染色体变异与不同表达谱的关系

紧接着,研究人员探索了12类不同表达模式的细胞类型究竟有哪些细胞的特征,结果还真是让人吃惊。

首先,最早出现的是1和2号转录模式细胞,它们表现出正常II型肺泡细胞的特征,这两种类型的细胞贯穿于肺腺癌发展的整个过程之中;随后是3和4号转录模式的细胞,虽然失去了一些II型肺泡细胞转录特性,但保留了肺上皮细胞的特征。

另外,6-10和12号转录模式细胞,在肿瘤中占比较高,它们具有肠和/或胃或胚胎肝上皮细胞的特征;至于11号转录模式细胞与上皮细胞没有相似之处,而是类似小鼠胚胎成纤维细胞的状态。

最神奇的是5号转录模式细胞,它展现了截然不同的细胞类型的特征,有胚胎滋养层干细胞、软骨细胞和肾小管上皮细胞的特征,表明这类细胞有转化成其他表型细胞的潜力。从整体上看,5号转录模式细胞存在于早期的腺瘤阶段,以及肺腺癌阶段。

 5号转录模式细胞在肿瘤不同阶段出现的情况

鉴于5号转录模式细胞出现的时间,转录特征非常多样,以及几乎贯穿于肺腺癌形成的整个阶段,而且这类细胞与其他转录模式细胞的连接最为丰富,研究人员认为5号转录模式细胞可能是肺腺癌行程中的一个关键过渡点,肺腺癌后期表现的异质性很可能就是由它引起

基于以上的原因,研究人员将5号转录模式细胞的状态称为高可塑性细胞状态(HPCS)

▲ 5号转录模式细胞是个重要的节点

随后的分析发现,定义HPCS细胞的那些基因之所以表达,是因为这些基因附近的染色质可及性更强,更容易被转录。而且,无论是在培养皿内,还是在小鼠体内,HPCS细胞都表现出极强的可塑性,增殖产生的细胞多样性最高

此外,HPCS细胞生长的更快,能长出的肿瘤更多。而且用铂类化疗药物处理的话,HPCS细胞的耐药性更强,这可能是由于HPCS细胞遇到化疗药物之后细胞周期得分最低,导致细胞增殖速度变慢,进而对化疗药物耐药

▲ HPCS的耐药性

由于HPCS细胞表现的特征有点儿像癌干细胞,研究人员将HPCS细胞与之前发表的1197个癌干细胞和正常组织干细胞做了对比,结果HPCS细胞在分子水平上与癌干细胞差异巨大,几乎没有多少相似性。这也表明HPCS细胞是有别于癌干细胞的一种新型癌细胞。

在研究的最后,研究人员研究了HPCS细胞与人肺腺癌之间的关系。

首先分析了20个肺腺癌患者的肿瘤细胞,在所有肿瘤中均发现了HPCS细胞无论是肺腺癌,还是在其他癌症类型中,HPCS细胞的出现都与患者的生存期更差相关。

▲ HPCS与癌症患者预后的关系

基于以上数据,研究人员认为人类肺腺癌等肿瘤中也存在类似HPCS的细胞,而且这个细胞状态有可能在临床上作为肿瘤进展和耐药性生物标志物。

除此之外,针对HPCS细胞开发靶向药物,有望避免肿瘤出现耐药性,让患者获得更持久的治疗益处。

 

参考文献:

[1].https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(20)30316-0

[2].https://www.mskcc.org/news/never-seen-cell-state-may-explain-cancer-s-ability-resist-drugs

[3].Lawson D A, Kessenbrock K, Davis R T, et al. Tumour heterogeneity and metastasis at single-cell resolution[J]. Nature Cell Biology, 2018, 20(12): 1349-1360.

[4].Shekhar K, Lapan S W, Whitney I E, et al. Comprehensive Classification of Retinal Bipolar Neurons by Single-Cell Transcriptomics[J]. Cell, 2016, 166(5): 1308-1323.

[5].Chung W, Daemen A, Cheng J H, et al. Kras mutant genetically engineered mouse models of human cancers are genomically heterogeneous[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017, 114(51).

 

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