文章信息
发表杂志名称：npj Precision Oncology
影响因子：6.8
online 时间：2025 年 2 月 25 日
A spatial transcriptomic signature of 26 genes resolved at single-cell resolution characterizes high-risk gastric cancer precursors
研究概述
胃癌前体向肿瘤进展的速率差异大，高风险前体如具有高级组织学特征的胃肠化生（GIM）进展风险高，但高低风险病变的生物学差异未完全明晰。本研究利用多个临床队列，通过多种基因表达分析方法，鉴定出一个由 26 个基因组成的空间转录组特征，其与高级别病变相关，定位于化生腺体，在异常的成熟和未成熟肠细胞中表达。该特征表明未成熟肠系在化生微环境中促癌作用重要，为未来生物标志物开发和胃癌预防策略提供依据。
研究结果
图 1：研究设计概述
作者采用多组学流程，包括（i）利用 RNA 测序数据（N=88样本；GAPS 队列）发现高风险基因表达特征；（ii）用 RNA 测序数据（N=215样本；GAPS 队列）在保留队列中验证高风险基因；（iii）运用空间转录组分析（N=5样本；空间队列）将高风险基因映射到化生灶；（iv）借助 RNA 测序数据（N=198样本；TCGA 队列）确定高风险 GIM 空间特征与肠型胃癌样本中差异表达基因的重叠情况；（v）通过单细胞 RNA 测序（scRNA-seq，N=40样本；scRNA-seq 队列）将高风险、空间映射基因分配到特定细胞亚群；（vi）使用单分子荧光原位杂交（smFISH，N=5样本；空间队列）在单细胞分辨率下验证部分基因。每一步筛选出的基因数量在图中展示（图 1）。本图展示了研究从发现基因特征到多方法验证的完整流程。
图 2：高风险表达特征的发现与验证
在发现队列（N=88个样本）中，作者通过差异表达和共表达基因的热图及层次聚类分析，发现大多数高风险样本（定义为 OLGIM III/IV 期）与低风险样本（定义为 OLGIM 0-II 期）能明显区分开，且 C-5 基因集（N=105）中的基因在高风险样本中选择性上调（图 2A）。在验证队列（N=215个样本）中，作者发现 C-5 基因集中 100 个基因在高风险样本中差异上调，证实高风险 GIM 具有稳健的特征（图 2B）。对这 100 个基因进行富集分析，作者发现基因本体论（GO）术语富集于肠道相关过程，如刷状缘、肠道吸收等（图 2C）；细胞类型特征基因集富集于成熟和未成熟 / 胎儿肠道细胞类型（图 2D）。这些结果表明作者成功发现并验证了高风险 GIM 的基因表达特征及其相关功能和细胞类型。
图 3：高风险特征的空间解析
以样本 P09788 为例，作者展示了 DMBT1 在病理学家标注的正常腺体结构（基底和凹陷）和化生区域的空间表达情况，DMBT1 在 GIM 中高表达，而 SLC30A10 未映射到化生区域，被排除在空间特征之外（图 3A）。作者通过空间伪批量分析，得到 36 个与 GAPS 队列批量 RNA 测序特征重叠的差异表达基因（图 3B）。通过比较空间队列和 TCGA 队列的基因表达倍数变化，作者发现有 26 个基因在高风险 GIM（相对于低风险 GIM）、化生灶以及胃癌中均显著上调（图 3C）。作者对这 26 个基因进行空间映射和量化分析，发现其在化生灶的 Visium 斑点中的复合特征评分显著高于正常胃基底或凹陷区域（图 3D、E）。这些结果确定了高风险差异表达基因在空间上的定位，且该基因集对化生区域具有高度特异性。
图 4：单细胞水平鉴定表达高风险特征的细胞类型
作者通过统一流形近似和投影（UMAP）图展示参考映射的上皮细胞，并显示各上皮细胞类型的模块评分（图 4A、B）。比较不同细胞类型的模块评分，作者发现成熟肠细胞与未成熟肠细胞中 26 基因特征存在显著差异（图 4C）。通过热图展示 26 个基因在不同细胞类型中的表达情况，作者发现不同基因在成熟和未成熟肠细胞中的表达具有特异性（图 4D）。作者分析 Correa 级联中不同细胞谱系的比例，发现正常、NAG 和 CAG 胃组织样本中肠道细胞较少，GIM 中成熟和未成熟肠系均显著存在，而 GC 中肠样干细胞显著富集，分化的杯状细胞和肠细胞相对减少（图 4E）。作者还观察到 26 基因特征评分在 Correa 级联进展阶段及 GC 中相较于肿瘤相邻对照显著增加（图 4F、G）。这些结果表明高风险特征在特定上皮细胞亚群中表达，且与 Correa 级联进展及 GC 发生相关。
图 5：胃肠化生（GIM）的单分子荧光原位杂交（smFISH）
作者对样本 P08563（OLGIM III 期）进行 H&E 染色和 smFISH，展示 OLFM4、CPS1、HKDC1、DMBT1、ANPEP 和 TFF3 六个基因的表达情况（图 5A、B）。放大观察，作者发现不同区域细胞中这些基因的表达具有差异，在富含肠样干细胞区域，OLFM4、DMBT1、CPS1 和 HKDC1 表达升高，ANPEP 中度表达；在分化良好（成熟）细胞区域，TFF3 表达升高，ANPEP 中度表达，且这两类细胞的基因表达相互排斥（图 5C - F）。结果在单细胞空间分辨率下证实了化生腺体中存在由成熟和未成熟肠系组成的不同细胞区室。
研究总结
本研究整合多种组学技术，对胃癌前体病变进行分析。通过多队列研究，发现并验证了一个 26 基因的高风险表达特征，该特征与高级别 OLGIM 阶段相关，能特异性定位到化生灶，且在肠型胃癌中差异表达。通过单细胞分析，明确了该特征在异常上皮细胞中的表达情况，且发现随着病变严重程度增加，肠样干细胞标记物表达上升。虽然研究存在样本量和研究性质的局限性，但为胃癌的早期检测和预防提供了重要的分子依据，未来可通过前瞻性队列研究进一步明确其因果关系。
