Cell | 37万单细胞测序揭示人类结直肠癌中的多细胞免疫中心

原创 存在一棵树 图灵基因 今天

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撰文：存在一棵树

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亮点：

1、开发了一种基于scRNA-seq发现细胞类型、及其基础程序和细胞群落的系统方法；

2、转录分析了来自28个MMRp和34个MMRd个体的371,223个细胞，对88个细胞亚群及其204个相关基因表达程序的分析揭示了跨肿瘤的广泛转录和空间重塑；

3、揭示了基于结肠癌肿瘤不同细胞亚群中基因程序活动共变的多细胞相互作用网络。

2021年8月25日，BROAD研究所及哈佛医学院的Nir Hacohen等教授与恒大免疫疾病中心Andrew J. Aguirre联合在《Cell》上发表了一篇名为“Characterizing genetic intra-tumor heterogeneity across 2,658 human cancer genomes”的文章。该研究团队揭示了基于个体肿瘤不同细胞亚群中基因程序活动共变的多细胞相互作用网络。

几乎所有的肿瘤都被免疫细胞浸润，但免疫反应的类型及其对肿瘤生长、转移和死亡的影响在不同癌症和个体肿瘤之间差异很大。结直肠肿瘤（CRC）的两种不同遗传亚型之间存在显着差异：错配修复缺陷 (MMRd)肿瘤具有高突变负荷，通常含有细胞毒性 T 细胞浸润，对免疫检查点阻断有约50% 的反应率；错配修复正常 (MMRp)肿瘤具有低突变负荷并且在很大程度上对免疫疗法无反应。这里，研究团队开发了一种基于单细胞RNA 测序(scRNA-seq)发现细胞类型、及其基础程序和细胞群落的系统方法，并将其应用于研究人类MMRd和MMRp CRC的区别特征。

为了发现恶性、免疫和基质细胞如何在MMRd和 MMRp CRC 中相互作用，团队分析了来自34 个MMRd和28个 MMRp个体的原发未治疗肿瘤以及邻近的正常结肠组织的36块组织。如图1所示，团队通过两步图聚类方法定义了细胞子集和转录程序，首先将所有细胞聚集成 7 个主要分区（T/ NK/先天淋巴细胞 [ILC]、B细胞、血浆细胞、肥大细胞、骨髓细胞、基质/内皮和上皮细胞）；随后在每个分区内，使用一致非负矩阵分解(NMF) 推导出基础细胞类型簇（NMF）和转录程序。

为了了解 CRC 中差异免疫反应的基础，研究团队首先比较了MMRd和MMRp CRC与正常结肠组织的免疫组成，发现肿瘤和正常组织之间以及 MMRd 和 MMRp 肿瘤之间发生了显着的重塑。如图2所示，43 个免疫细胞簇中有 37 个在肿瘤（MMRd 或MMRp）和正常结肠组织之间存在差异富集；肿瘤中单核细胞/巨噬细胞显着扩增，特异性 NMF 衍生的转录程序上调，即炎症基因扩增、骨髓细胞募集、刺激生长，并缓解炎症；表明单核细胞和巨噬细胞在肿瘤中被重塑，并在 MMRd 肿瘤中表达了更多的免疫激活程序。

在MMRd 与 MMRp肿瘤都发生了基质重塑，主要包括内皮细胞和成纤维细胞 (CAF)，两类肿瘤的内皮细胞都发生了改变，出现更多的血管生成程序活性和免疫相关基因表达；而MMRd CRC 中CFA通过空间重新分布，增加了获得干细胞生态位因子（如RSPO3）的机会。而MMRd 与 MMRp 肿瘤的免疫组成的主要差异发生在T细胞区室中，MMRd 肿瘤富集簇包含CXCL13 + T 细胞和PDCD1 + γδ 样T 细胞，而MMRp 肿瘤中富集 IL17+ T 细胞；除此之外，根据与正常结肠上皮细胞亚型的相似性对恶性细胞进行了分类，发现MMRd和 MMRp CRC之间恶性细胞的转录程序不同，在MMRd 肿瘤中的恶性细胞表达可能与免疫系统的相互作用的免疫相关程序。

一种细胞类型的基因程序的可能会被其他细胞的变化所影响，这可能是因为细胞间的直接影响，也可能是因为共享信号或微环境对两种细胞类型的共同影响。为找到这样的多细胞协调程序网络，团队通过分析 MMRd 和 MMRp捕捉两种免疫学不同肿瘤类型之间的差异，寻找共变程序。如图3所示，使用基于图的程序聚类（STAR Methods) 以识别MMRd 中的 7 个和 MMRp 样本中的9个共变多细胞网络，其中心由跨细胞类型表达的多个程序组成，揭示了多细胞相互作用网络，即在原发性 MMRd 和 MMRp 肿瘤的管腔表面存在由恶性细胞、成纤维细胞、单核细胞和中性粒细胞组成的炎症反应中心。

为了解驱动这些恶性/免疫/基质细胞相互作用的通讯途径，研究团队检查了在炎症和共变中性粒细胞程序的顶级基因中发现的所有趋化因子和细胞因子。如图4所示，在MMRd CRC 中，T 细胞组织存在于细胞邻域中，而XCL13 + T 细胞与表达ISG 的髓细胞和恶性细胞的协调网络通过T细胞表达的IFNG驱动CXCR3诱导更多的T细胞和其他细胞形成正反馈循环，最后形成免疫炎症中心。

综上所述，本文确定了重复的、空间组织的细胞-细胞相互作用，这些相互作用有助于MMRd 和 MMRp 肿瘤中协调的多细胞免疫反应。该研究提供了丰富的细胞状态、基因程序及其在肿瘤中的转化的丰富数据集，涉及相对较大的 CRC 患者队列；也基于基因程序的共变和随后两个免疫恶性中心的空间定位对几个多细胞中心的预测将大量细胞状态和程序组织成较少数量的细胞和过程协调网络。

教授介绍

Nir Hacohen，BROAD研究所成员，担任细胞网络项目联合主任。拥有哈佛大学物理学学士学位和斯坦福大学生物化学博士学位，在Whitehead研究所创立自己的团队后，BROAD研究所，并入职哈佛医学院和马萨诸塞州总医院。其专注于开发和应用合适的方法来了解哺乳动物的免疫反应，相关研究领域包括： i）树突状细胞（免疫系统的前哨细胞）中的病毒和细菌感知； ii) 通过先天免疫系统检测自身与非自身；iii) 观察到的人类免疫变异的遗传基础，重点是肿瘤免疫和自身免疫；iv) 新颖和个性化的免疫疗法。

参考文献

1、Pelka, Karin et al. “Spatiallyorganized multicellular immune hubs in human colorectal cancer.”Cell,S0092-8674(21)00945-4. 24 Aug.