2021-10-17

Cancer Dis |单细胞转录组学分析去分化侵袭性肿瘤亚型成因

原创 存在一棵树 图灵基因 今天

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：存在一棵树

IF=39.39

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

本文使用多组学方法揭示了胰腺神经内分泌肿瘤 (PanNET)中具有侵袭性的转移样原发性 (MLP) 肿瘤是通过去分化沿着胰岛 β 细胞发育途径的反向轨迹产生的。

2021年10月1日，瑞士洛桑联邦理工学院实验癌症研究所的Douglas Hanahan团队在《Cancer Discovery》上发表了一篇名为“Cancer Cells Retrace a Stepwise Differentiation Program during Malignant Progression”的文章。本文分析了 PanNET RT2 小鼠模型的原发性和转移性病变，将单细胞转录组学与大量 mRNA 和 miRNA 测序和蛋白质组学分析相结合，通过调控通路的功能扰动元件研究侵袭性 MLP 亚型的起源。

胰腺神经内分泌肿瘤(PanNET) 是一种罕见的人类癌症，起源于胰腺的内分泌细胞、朗格汉斯胰岛。PanNET包括两种分子亚型，相对良性的胰岛肿瘤 (IT) 和侵袭性的转移样原发性 (MLP) 肿瘤，目前侵袭性 MLP 肿瘤的起源一直不清楚。现有研究提出了两种可能的 MLP 亚型发展途径，第一个理论认为内分泌祖细胞单独作为MLP 肿瘤发生途径的起源细胞；第二个则认为其是从已存在的癌细胞中去分化成为 MLP 亚型。

为了剖析原发性和转移性PanNETs 的潜在遗传程序，该团队采集了三种不同遗传背景的RIP1-Tag2(RT2)基因工程小鼠模型的31例原发性肿瘤和6例转移性肝癌的样本，以及正常小鼠胰岛（4个样本）和正常小鼠肝脏。如图1所示，肿瘤分为两个广泛的亚型，具有高度独特的 mRNA、miRNA 和蛋白质组学特征，其中 IT簇群仅包含原发肿瘤，其保持成熟 β 细胞明确标志物的高表达；MLP簇群包含原发性和转移性样本，其特征是成熟 β细胞标志物的低表达，以及许多内分泌祖细胞标志物的高表达。为了进一步表征 MLP肿瘤，该团队使用差异表达分析和 NMF 选择的特征开发了 MLP 簇的 miRNA 特征和mRNA 特征，对 MLP mRNA 特征中的上调和下调基因进行功能富集分析。其中激素分泌、胰腺发育、细胞间粘附和胰岛素分泌调节相关基因显著下调；细胞分化和发育过程的阻遏物相关基因显著上调；还观察到了MLP 肿瘤中胰腺祖细胞特异性标志物的更高表达。以上实验结果表明MLP 肿瘤与胰腺祖细胞具有共同的特征，该团队假设 MLP 肿瘤可能经历了去分化，从而实现了从 IT 到 MLP 亚型的转变。

为了评估去分化是导致 MLP 肿瘤的肿瘤发生中的一个离散步骤的假设，该团队试图确定在 IT 样癌细胞中诱导 MLP 表型的信号通路。实验已表明与 IT 肿瘤相比，一组miRNA 在 MLP 肿瘤中差异表达。如图2所示，这里分离了在胰腺祖细胞和成熟 β 细胞之间差异表达的 miRNA，发现了 miR-181 家族的两个成员，即 miR-181c和 miR-181d，它们构成了 miR-181cd 簇；随后在IT 样癌细胞中表达 7 天的 miR-181cd，导致其向 MLP 亚型转变；一致地，IT 标记基因在miR-181cd 表达时下调，MLP标记基因上调。以上结果表明 miR-181cd 的上调水平能够指导从 IT 到 MLP 亚型的去分化。

接下来，该团队试图探索 IT 到 MLP 转变背后的基因网络，并确定调节去分化过程的转录因子 (TF)。该团队讨了是否有任何被确定为预期负调节因子的 TF 可能是 miR-181cd簇的潜在目标，发现miR-181cd 与 Meis2的 3'UTR 中的 miRNA 反应元件（MRE）结合并触发 miRNA 介导的 mRNA 降解的能力；Hmgb3是 miR-181cd 诱导的从 IT细胞向去分化 MLP 亚型转变的关键下游效应子。随后该团队在体内评估了提议的 miR-181cd/ Meis2 / Hmgb3轴，如图3所示，从 IT 到 MLP 亚型的转变出现在肿瘤发生的早期阶段，随后是胰岛素的完全丧失和 MLP 病变中 HMGB3 的高表达，miR-181cd诱导 Meis2 下调，从而导致 Hmb3表达上调。以上表明HMGB3的诱导是IT癌细胞向MLP亚型去分化过程中的早期事件，是去分化和转移性细胞的标志物。

接下来，该团队对来自 scRNA-seq 的转录组数据使用 PCA 来研究导致晚期肿瘤异质性的基因调控途径，发现去分化和增殖是导致原发性肿瘤异质性的两条独立的分子途径。如图4所示，为了研究所描述的去分化途径及其调节剂可能在人类 PanNET 中起作用的可能性，该团队将 MLP mRNA 特征应用于来自原发性和转移性肿瘤的 110 个人类样本队列；通过应用小鼠 MLP mRNA 特征识别的人类 MLP 肿瘤与未成熟的 β 细胞，发现人类癌细胞遵循相同的反向发育轨迹，以获得表面上有助于增加恶性肿瘤的祖细胞样表型。这里评估miR-181cd、 MEIS2和HMGB3表达与人类肿瘤进展中的作用以及与临床病理特征的相关性，发现高 miR-181c 和 miR-181d 表达与更具攻击性和无功能的PanNET相关；MEIS2和HMGB3表达分别与更具侵袭性的肿瘤呈负相关和正相关； miR-181/ MEIS2/HMGB3在人类PanNETs恶性进展为更具侵袭性和转移性的MLP 亚型期间介导的去分化。

综上所述，以上工作已将去分化确定为独立的逐步转变，神经内分泌癌细胞通过该转变获得祖细胞样特征，从而促进恶性进展，去分化途径是由 miR-181cd 簇的上调精心编排的，它抑制了 Meis2的表达，进而导致 Hmgb3 的表达。识别这种祖细胞相关基因网络填补了对影响侵袭性和转移性神经内分泌胰腺肿瘤特异性因素的理解的概念空白，这些知识可以为旨在阻碍肿瘤进展和转移的治疗策略奠定基础。

教授介绍

Douglas Hanahan，现任洛桑联邦理工学院(EPFL)瑞士实验癌症研究所 (ISREC)名誉教授。其出生于美国华盛顿州西雅图市，1976 年获得麻省理工学院物理学学士学位，并获得博士学位； 1983 年获得哈佛大学生物物理学博士学位；1978-1988 年作为研究生在纽约冷泉港实验室工作，后担任组长；1988 年到 2010年，在旧金山加州大学旧金山分校生物化学与生物物理学系任教。其研究内容包括癌症，转化肿瘤学，人类癌症的基因工程小鼠模型，肿瘤微环境、血管生成、入侵、转移、临床前试验。

参考文献

1、Saghafinia S, Homicsko K, Di Domenico A, et al. Cancer CellsRetrace a Stepwise Differentiation Program during Malignant Progression.CancerDiscov. 2021;11(10):2638-2657.