12篇Nature系列论文齐发：全面解析肿瘤的起源、演化及细胞间相互作用

编译丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

2024年10月31日，Nature及其子刊发表了人类肿瘤图谱网络计划（HTAN）论文合集，此次发布的论文合集共12篇论文，其中4篇发表于Nature，1篇发表于Nature Medicine，3篇发表于Nature Cancer，2篇发表于Nature Methods，两篇发表于Communications Biology。

这些研究呈现了肿瘤及其周边环境的图谱，其中包括乳腺癌、结肠癌和胰腺癌等，为肿瘤生物学带来了新见解。这一论文合集涵盖各种肿瘤类型，有助于分析肿瘤的产生和演化。

人类肿瘤图谱网络计划（HTAN）于2018年启动，旨在构建人类肿瘤演化中细胞、结构和分子特征的三维图谱。这些图谱有助于识别肿瘤发生、进展和耐药的基本生物过程。

这一最新论文合集分析了近2000名患者的超过20种肿瘤起源，为肿瘤结构和细胞相互作用提供了全面的分析。研究对象包括乳腺癌、结肠癌、胰腺癌、肾脏癌和子宫癌等。合集中提出了多项新发现，例如，研究提出证据支持了由多个细胞共同引发结直肠肿瘤的模型，推翻了过去认为这类癌症起源于结肠粘膜单个细胞的观点。此外，这些研究还发现了转移性微环境在促进肿瘤演化和产生治疗抗性中的作用。这些研究还带来了用于深入分析这些图谱的新工具和新方法的开发，有助于未来继续深入研究癌症。 接下来我们重点介绍其中几篇论文。

1、结直肠癌前病变演化中的多克隆到单克隆转化

论文标题：Polyclonal-to-monoclonal transition in colorectal precancerous evolution

通讯作者：胡政（中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所）、贺雄雷（中山大学生命科学学院院长）、何真（中山大学附属第六医院）

阐明癌前病变的起源和演化对于有效预防恶性转化至关重要，但我们目前的知识仍然有限。

在这项研究中，研究团队使用碱基编辑器支持的DNA条形码系统来全面绘制由炎症或Apc基因缺失引起的肠道肿瘤小鼠模型中的单细胞系统发育图谱。通过对260922个来自正常、炎症和肿瘤肠组织的单细胞的高分辨率系统发育进行定量分析，研究团队确定了在每个病变中进行平行克隆扩增的数十个独立细胞系。

研究团队还通过bulk全外显子组测序和单腺体全基因组测序发现了人类散发性结直肠息肉的多克隆起源。基因组和临床数据支持多克隆向单克隆转化的模型，单克隆病变代表较晚期。单细胞RNA测序显示，在早期多克隆病变中，细胞间存在广泛的相互作用，但在单克隆转化期间，相互作用显著丧失。

因此，这项研究表明，结直肠癌前病变通常由许多不同的谱系组成，并强调了它们在癌症形成的最早阶段的合作相互作用。这些发现为结直肠癌的早期干预提供了机会。

2、在二维和三维空间中的肿瘤演化和细胞微环境相互作用

论文标题：Tumour evolution and microenvironment interactions in 2D and 3D space

通讯作者：丁莉、Feng Chen、Ryan C. Fields、William E. Gillanders（圣路易斯华盛顿大学）、Benjamin J. Raphael（普林斯顿大学）

为了研究癌细胞与非癌细胞之间的空间相互作用，研究团队使用Visium空间转录组学技术对来自6种癌症类型的78个病例的131个肿瘤切片进行了分析。

这项研究结合了48个匹配的单核细胞RNA测序样本和22个匹配的索引共检（CODEX）样本。为了描述肿瘤的结构和生长环境，研究团队将“肿瘤微区”（tumour microregions）定义为由间质成分隔开的、空间上不同的癌细胞群落。不同癌症类型的肿瘤微区大小和密度各不相同，在转移性样本中观察到了最大的微区。

研究团队进一步将具有相同遗传改变的微区划分为“空间亚克隆”，35个肿瘤切片显示了亚克隆结构。具有不同拷贝数变异和突变的空间亚克隆展现出不同的致癌活性。该研究发现，肿瘤微区中心的代谢活动增强，同时微区前端的抗原呈递也增加，还观察到微区内T细胞的浸润存在差异，并且肿瘤边界处主要分布着巨噬细胞。研究团队通过将16个样本的48个连续空间转录组切片进行配准，重建了肿瘤的3D结构，这有助于了解肿瘤的空间组织结构和异质性。此外，该研究使用无监督深度学习算法，结合空间转录组学和CODEX数据，识别出免疫热区和冷区，并增强了3D亚克隆周围的免疫耗竭标记物。

这些发现有助于理解肿瘤在二维和三维空间中与局部微环境相互作用的肿瘤演化过程，为深入了解肿瘤生物学提供了宝贵见解。

3、哺乳动物发育和癌前病变的时间记录

论文标题：Temporal recording of mammalian development and precancer

通讯作者：Ken S. Lau、Robert J. Coffey（范德比尔特大学医学中心）

细胞事件的时间顺序为理解生物现象提供了基本见解。虽然传统上是通过持续的直接观察来实现的，但另一种解决方案利用不可逆转的遗传变化（例如自然发生的突变）来创建不可磨灭的标记，从而实现事后的时空排序。

该研究利用一种多功能的单细胞CRISPR平台，开发了一种分子时钟方法，用于在体内记录细胞事件的发生时间和克隆性，并结合了细胞状态和谱系信息。采用这种方法，研究团队揭示了小鼠胚胎发育过程中特定组织中细胞的精确增殖时间、不同细胞类型之间不寻常的发育关系以及由其独特的遗传历史所产生的新的上皮祖细胞状态。对小鼠腺瘤的分析结合了对人类癌前病变的多组学和单细胞分析，并对418例人类息肉进行了克隆分析，结果表明，15%-30%的结肠癌前病变起源于多个正常祖先，显示出多克隆起源。

总的来说，该研究提出了一种多模态框架，为在体记录奠定了基础，将合成或天然不可逆转的遗传变化与单细胞分析相结合，以探索哺乳动物系统中发育和肿瘤发生的起源和时间点。

4、多克隆性在Apc驱动的肿瘤发生过程中克服了适应性

论文标题：Polyclonality overcomes fitness barriers in Apc-driven tumorigenesis

通讯作者：Douglas J. Winton（癌症研究基金会剑桥研究所）

肿瘤抑制因子APC的功能丧失突变，是肠道肿瘤发生的初始步骤。突变的肠上皮干细胞通过分泌Wnt拮抗物来胜过其野生型临近细胞，这加速了突变体的固定并随后导致其快速克隆扩张。但人类患者和小鼠模型中多发性肠道肿瘤的报告似乎与这一过程相悖。

该研究在小鼠体内结合多色谱系追踪和化学诱变技术，以证明大多数肠道肿瘤具有多祖先起源。多发性肿瘤仍保持一种结构，其中包含具有不同Apc突变和转录状态的亚克隆，主要由KRAS和MYC信号通路的差异驱动。这些通路级别的变化伴随着癌症干细胞表型的深刻差异。值得注意的是，通过引入导致单克隆肿瘤形成的致癌Kras突变，这些发现得到了证实。此外，多克隆肿瘤具有加速的生长动态，这表明多克隆性与肿瘤进展之间存在联系。

这些发现共同表明，克隆间相互作用通过非细胞自主途径促进肿瘤发生的作用，这种途径依赖于克隆间致癌途径的差异激活。

5、转移性乳腺癌活检临床病理特征的多模态单细胞和空间表达图谱

论文标题：A multi-modal single-cell and spatial expression map of metastatic breast cancer biopsies across clinicopathological features

通讯作者：Nikhil Wagle（Dana-Farber癌症研究所）、Aviv Regev（基因泰克）、Johanna Klughammer（Broad研究所）、Daniel L. Abravanel（Dana-Farber癌症研究所）

尽管转移是癌症相关死亡的主要原因，但由于技术和生物样本的限制，其肿瘤微环境的特征尚未得到充分的阐明。

在这项研究中，研究团队收集了来自60名患有不同临床病理特征和9个解剖部位的转移性乳腺癌患者的67个肿瘤活检样本，并构建了一个多模态的肿瘤空间和细胞图谱，并对每个样本进行了详细的临床注释。

该研究将所有活检样本的单细胞或单核RNA测序与四种空间表达分析技术（Slide-seq、MERFISH、ExSeq和CODEX）以及多达15个活检样本的连续切片的H&E染色结合起来。利用这些联合测量为不同实验技术的利用和整合提供了参考点，并利用它们评估了在临床病理学和方法学多样性背景下细胞类型组成和表达以及空间表达特征的变异性。

最后，研究团队评估了巨噬细胞群的空间表达和共定位特征，并识别出三种不同的上皮-间质转化空间表型，还确定了与局部T细胞浸润或排斥相关的表达程序，展示了此类图谱在具有临床相关性的发现方面的潜力。

6、家族性腺瘤性息肉病的多组学分析揭示了与早期肿瘤发生相关的分子通路

论文标题：Multiomic analysis of familial adenomatous polyposis reveals molecular pathways associated with early tumorigenesis

通讯作者：Michael P. Snyder、James M. Ford（斯坦福大学医学院）

家族性腺瘤性息肉病（Familial adenomatous polyposis，FAP）是一种遗传病，可导致患者发生数百个癌前息肉，是研究早期癌前状态向结直肠癌（CRC）演变的理想模型。

该研究对6例FAP患者的93份样本进行了深度多组学分析，包括正常黏膜、良性息肉和不典型增生息肉。转录组学、蛋白质组学、代谢组学和脂质组学分析揭示了在向癌症形成的癌前演变过程中发生的数千个分子和细胞事件的动态变化。这些过程包括细胞增殖、免疫反应、代谢改变（包括氨基酸和脂质）、激素和细胞外基质蛋白等。

有趣的是，花生四烯酸通路的激活在增生的早期就被发现了，这一通路是阿司匹林和其他非甾体抗炎药的靶点，而这也是一种正在研究的用于FAP患者的预防性治疗方法。

总的来说，该研究揭示了结直肠癌（CRC）形成早期阶段的关键基因组、细胞和分子事件，以及药物预防的潜在作用机制。

7、使用CyLinter进行high-plex组织的单细胞分析的质量控制

论文标题：Quality control for single-cell analysis of high-plex tissue profiles using CyLinter

通讯作者：Peter K. Sorger、Gregory J. Baker（哈佛大学医学院）

肿瘤是细胞和脱细胞结构的复杂集合，空间尺度从微米到厘米。随着high-plex空间技术的引入，对这些肿瘤组分的研究取得了显著进展。基于图像的分析方法揭示了每个样本103-107个细胞在亚细胞分辨率下20-100个蛋白质的强度和空间分布。尽管对从这些图像中提取单细胞数据的方法进行了大量的工作，但所有组织图像都包含由样本制备、数据采集、图像组装和特征提取中的缺陷引起的伪影（例如折痕、碎片、抗体聚集、光学像差和图像处理错误）。

该研究展示了这些伪影极大地影响了单细胞数据分析，遮蔽了有意义的生物学解释。

研究团队介绍了一种交互式质量控制软件工具——CyLinter，它可以识别和删除与成像伪影相关的数据。CyLinter极大地改进了单细胞分析，特别是对于数据收集前多年切片的存档样本（例如来自临床试验的样本）。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08133-1

2. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08087-4

3. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07954-4

4. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08053-0

5. https://www.nature.com/articles/s41591-024-03215-z

6. https://www.nature.com/articles/s43018-024-00831-z

7. https://www.nature.com/articles/s41592-024-02328-0