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文献解读 | 整合单细胞和空间转录组学揭示与脊索瘤进展相关的内质网应激相关CAF亚群

作者:上海伯豪生物技术有限公司 2024-11-01T00:00 (访问量:10292)

影响因子:15.9

期刊:Neuro-Oncology

主要技术:snRNA-seq、ST RNA-seq、bulk RNA-seq

导语

脊索瘤是一种罕见且局部侵袭性的间叶性肿瘤,源于原始脊索残余,好发于骶骨和颅底区域,对传统化疗不敏感,目前最佳治疗是手术切除联合辅助放疗,但因肿瘤的浸润性及靠近关键神经血管结构,根治性切除有挑战,术后易复发或转移。癌相关成纤维细胞(CAFs)是基质中的主要细胞类型,其密度与许多恶性肿瘤的侵袭、转移和不良预后相关,在脊索瘤中,基质成分与肿瘤侵袭表型、患者生存和免疫反应有关,但CAFs对脊索瘤发展和进展的影响尚不清楚。本研究利用scRNA - seq(n=9)、ST RNA-seq(n=3)、bulk RNA-seq(n=128)和QIF(n=105)来确定脊索瘤中CAFs的细胞类型、空间分布和临床意义,首先通过scRNA - seq对CAFs进行综合表型研究,然后用多模态交叉分析将scRNA - seq的CAFs图谱与ST数据整合,最后用bulk RNA - seq和QIF验证观察结果,有助于更好地理解CAFs在脊索瘤进展中的生物学功能,并为开发新的治疗策略提供思路。

技术服务

snRNA-seq、ST RNA-seq、bulk RNA-seq

研究结果

1. 单细胞转录组识别脊索瘤图谱

对6名脊索瘤患者(3名原发、3名复发)以及3名髓核(NP)进行单细胞测序。共获得72097个细胞,其中46987个来自脊索瘤,25110个来NP组织。识别出49个细胞群,通过marker基因可分为上皮样细胞、单核吞噬细胞、T细胞、内皮细胞、中性粒细胞、B细胞、破骨细胞、成纤维细胞、软骨细胞和壁细胞10种类型(图1A-E)。上皮样细胞、成纤维细胞、T细胞和B细胞属于多个群,表明这些细胞类型具有异质性(图1A)。与NP组织相比,脊索瘤组织中上皮样细胞较多,尤其是复发性肿瘤(图1C)。通过inferCNV分析、及细胞周期分析表明上皮样细胞具有显著高的拷贝数变异(CNV)水平并处于增值状态,综合这些结果表明上皮样细胞代表肿瘤细胞。

图 1

2. 脊索瘤微环境中功能独特的CAF群体识别

为进一步研究成纤维细胞,研究人员对其进行亚群的细分,基于特定细胞标志物确定了 6个主要的成纤维细胞亚群(图2A-B)。用热图展示各群中前10个差异表达基因(DEGs)的表达水平来可视化6个癌相关成纤维细胞(CAF)亚群间的关键差异(图2C)。其中,成纤维细胞 - 1 和 - 5仅在脊索瘤中观察到,提示它们是脊索瘤特异性 CAFs(图2D)。比较分析表明 CAFs、癌细胞和正常成纤维细胞在干性和细胞周期分数上无显著差异(图 2E),功能富集分析显示CAFs与成纤维细胞和癌细胞有共同活动(图2F)。在转录组水平,CAFs 高表达成纤维细胞(如COL1A1和COL6A1)和肿瘤细胞(如SPP1和RARRES21)的标志物基因(图2G)。

图 2

3. 成纤维细胞聚集揭示与脊索瘤进展相关的独特亚群

为识别CAF亚群并阐明其功能,研究人员对脊索瘤组织中的所有CAFs(成纤维细胞 - 1和 - 5细胞)进行了降维分析。确定了4个CAF亚群,其中CAF - 1和CAF - 2为主要亚型(图3A),它们都高表达CAFs的特定marker基因,如POSTN、THY1、ACTA2等(图3B),同时展示4个CAF群之间的基因表达差异(图3C)。分析CAF亚群的起源,发现CAF-2存在于复发性肿瘤中,CAF-3和CAF-4存在于原发性肿瘤组织中,CAF-1在两种肿瘤组织中均存在(图3D)。基于GO富集分析,CAF-2与内质网应激(ERS)反应相关,其特征是高表达ERS相关和缺氧基因(HSPA1A、HSPA1B、CCL2等);CAF-1与能量代谢相关,高表达SPP1、RBP4、AGT等;CAF-3与中性粒细胞激活有关,表达MMP9、ACP5、CKB等;CAF-4主要促进骨骼系统发育,表达IBSP、IFITM5、DLX5等(图3E-I)。CAF-4也高表达缺氧和ERS相关基因,但功能富集分析未显示CAF-4与ERS反应有关。综合结果表明,只有CAF-2可能参与ERS过程。由于CAF-2仅存在于复发性肿瘤组织中,且ERS和缺氧信号通路的异常激活是肿瘤进展的关键调节因素,推测CAF-2可能与脊索瘤进展有关。

图 3

4. GSVA表明ERS-CAF特征评分与脊索瘤进展相关

为验证ERS - CAF的促肿瘤作用,研究人员对126例脊索瘤患者样本进行bulk RNA - seq(图4A)。用代表该CAF子集的基因集(包括ERS相关基因如 HSPA1A、HSPA1B、CCL2、及CAF特异性标志物如THY1、FAP、COL1A1)计算每位患者的ERS - CAF特征评分;该评分与肿瘤侵及周围肌肉、肿瘤分级、AJCC分期、手术切缘显著相关,复发性肿瘤患者评分略高但差异不显著(图4B)。通过在线平台确定阈值将患者分组进行生存分析,Kaplan - Meier分析显示评分升高预示不良的无局部复发生存率(LRFS)和总生存率(OS)(图4C),在Cox多元回归模型控制重要临床因素后仍显著(图4D - E)。

图 4

5. ERS-CAF可能从不同方面促进脊索瘤进展

为推断ERS - CAF亚群促进肿瘤进展的可能机制,研究人员进一步分析CAF亚群与其他细胞类型的细胞间通讯。结果显示CAF亚群(尤其是ERS - CAFs和CAF-1)显著激活并与多种细胞相互作用(图5A-B),确定许多配体-受体对展示ERS - CAF与脊索瘤主要细胞类型间的广泛分子相互作用。对于传入信号,ERS - CAFs主要接受来自CD46、EFG、SELL等分子的信号;对于传出信号,主要产生TENASCIN、IGF、LIFR等信号(图5D),且ERS - CAFs是几个细胞通讯网络(包括JAM、THBS和GDF信号通路)的核心细胞(图5E)。对10个肿瘤组织样本进行QIF分析进一步证实ERS - CAF和肿瘤细胞间JAM2和JAM3的交互信号,发现肿瘤细胞靠近ERS - CAF的区域JAM2/JAM3信号表达更强,表明ERS- CAFs可通过多种分子机制促进脊索瘤进展。

图 5

6. ERS-CAF与其他细胞类型的空间关系

为进一步剖析脊索瘤组织中ERS - CAF的空间特征,对3个新鲜肿瘤样本(图6A、 G)进行了空间转录组测序。在ST数据中观察到UMIs与标记基因之间有很强的相关性(图 6B 、H),表明质量良好。在ST数据中检测到上皮样细胞(KRT8)、单核吞噬细胞(CD14)、T 细胞(CD3D)、内皮细胞(PECAM1)、中性粒细胞(CSF3R)、B 细胞(CD79A)、成纤维细胞(COL2A1)和壁细胞(ACTA2)的标记基因(图6C 、 I)。随后,通过UMAP方法降维在原发性和复发性肿瘤样本中均确定了8个主要细胞群(图6D、J)。在原发性肿瘤中观察到CAF-1,而在复发性肿瘤样本中同时观察到CAF-1和ERS - CAF(图 6D 、 J)。通过CAF标记基因的基因表达分析(图 6E 、K)和MIA结果(图 6F 、 L)证实了这些发现。使用邻域得分和接近度得分来表征每个 ERS - CAF 位点周围的细胞类型组成。分析显示ERS - CAF与肿瘤细胞之间具有高邻域得分和接近度得分,表明这两种细胞类型之间有很高的相互作用概率。此外,对ST数据的stLearn分析表明ERS - CAF与脊索瘤细胞之间存在相互作用。

图 6

 

结论

对3个原发性和3个复发性肿瘤样本以及3个髓核样本作为对照的72 097个单细胞进行了测序。在复发性肿瘤中发现了一个独特的CAF群,该群高度表达缺氧基因并在内质网应激 (ERS) 中功能性富集。拟时间轨迹和细胞通讯分析表明,该ERS-CAF亚群起源于正常成纤维细胞,并与肿瘤和免疫细胞广泛相互作用。通过分析126名患者的bulk RNA-seq 数据,研究人员发现,ERS-CAF特征评分与脊索瘤的侵袭和不良预后有关。通过将 scRNA-seq 的结果与空间转录组学相结合,证明了ERS-CAF在脊索瘤组织中的存在,并揭示了这种CAF 亚型与周围肿瘤细胞的距离最接近。在随后涉及105名另外患者的QIF验证中,证实 ERS-CAF在脊索瘤微环境中丰富且靠近肿瘤细胞。此外,ERS-CAF 密度及其与肿瘤细胞的距离都与肿瘤恶性表型和不良患者结果相关。

 

参考文献:

Zhang TL, Xia C, Zheng BW, et al. Integrating single-cell and spatial transcriptomics reveals endoplasmic reticulum stress-related CAF subpopulations associated with chordoma progression. Neuro Oncol. 2024 Feb 2;26(2):295-308. doi: 10.1093/neuonc/noad173. PMID: 37772937; PMCID: PMC10836767.

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