Nature子刊:任善成团队揭示前列腺癌进展中肿瘤微环境的动态重组

2021
01/11

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生物世界
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前列腺癌是世界范围内男性发病率第二位的恶性肿瘤。我国前列腺癌发病率和死亡率近年来呈急剧上升态势,已成为男性发病率第六位、死亡率第四位的恶性肿瘤。2015年,上海地区前列腺癌发病率首次超过肝癌,跃居成为上海男性恶性肿瘤发病率第四位,与西方发达国家接近,严重威胁男性生命健康。


前列腺癌具有较大的临床异质性,多数前列腺癌临床进展缓慢,但仍有些生长相对迅速,并可迅速发生骨、淋巴结转移并对雄激素剥夺疗法耐药,形成去势抵抗型前列腺癌(castration-resistant prostate cancer,CRPC),后者目前缺乏有效的治疗手段,是前列腺癌患者死亡的主要原因。前列腺癌的分子异质性及微环境细胞群体的异质性是临床异质性的根本原因,截至目前尚未有研究进行系统全面地阐述。


2021年1月9日,上海长海医院任善成与加拿大多伦多大学何厚胜和复旦大学附属肿瘤医院王建华合作,在 Nature Cell Biology 杂志发表了题为:Single cell analysis reveals onset of multiple progression associated transcriptomic remodellings in prostate cancer 的研究论文,文章第一单位是上海长海医院泌尿外科。


该研究利用单细胞转录组测序技术,分析了包含正常前列腺、前列腺癌原发灶、淋巴结转移灶在内共27例组织样本中111, 914个单细胞的基因表达情况,系统绘制了前列腺癌的转录组图谱,阐明了肿瘤微环境中多种与疾病进展相关的细胞亚群和转录水平改变,解析了前列腺癌的高度异质性,对治疗靶点的确定和侵袭性肿瘤生物标记物的开发提供了开阔的思路。



研究人员利用单细胞测序技术对12例前列腺癌原发灶和1例前列腺癌淋巴结转移灶样本进行了单细胞转录组测序,共获得36,424个单细胞的数据集,通过20个细胞类型标记物注释了上皮细胞、成纤维细胞、单核-巨噬细胞系、内皮细胞、肥大细胞、T细胞等主要的细胞群体。



通过对上皮细胞进行进一步的分群可得到16个亚群。研究者结合乳腺癌的PAM50分型及前列腺上皮细胞的既往研究,注释了Basal/intermediate型上皮细胞亚群(Cluster 10),其分子特征与前列腺癌较好的预后相关,并特异性表达转录因子CCL2;另发现一个上皮细胞亚群(Cluster 12),处于有丝分裂G2/M期,将其命名为CellCycle细胞,其分子特征与前列腺癌患者的预后呈负相关。此外,研究者在多个独立的公共数据集中也验证了这两种分子分型与前列腺癌患者预后相关。



研究者进一步研究了前列腺肿瘤内浸润的T细胞,将其细分7个细胞亚群。KLK3为前列腺特异抗原PSA的编码基因,是前列腺临床常用的分子标记物,一般认为只在前列腺癌细胞中表达,然而研究者发现KLK3在一个调节性T细胞(Cluster6)亚群和两个效应T细胞亚群(Cluster 3、5)中特异性表达,后者的细胞外囊泡和外泌体通路激活,提示肿瘤分泌的囊泡介导KLK3转移至T细胞(图1E)。研究者还通过RNA荧光原位杂交、免疫荧光等实验发现了表达PSA/KLK3的T细胞,证明了该信号传递途径的可行性(图1F)。


该研究涉及的病例中,有一例高危前列腺癌患者的影像及术后病理均提示左右两侧髂外淋巴结为阴性。研究者通过单细胞转录组测序,发现其左侧淋巴结组织中存在恶性上皮细胞,并且T细胞普遍高表达KLK3,即左侧淋巴结已发生了临床无法识别的微转移灶(micrometastasis);而尽管右侧淋巴结组织中没有发现恶性上皮细胞,但已经出现了T细胞高表达KLK3的现象,提示肿瘤微环境细胞已经形成了“转移前癌巢”结构(pre-metastatic niche)。该现象不仅在前列腺癌中存在,研究者还利用单细胞公共数据库发现,在肾细胞癌、结直肠癌、非小细胞肺癌、头颈部鳞癌等多种肿瘤中,T细胞均表达相对应的肿瘤标记物,提示肿瘤细胞利用其自身的标记物来影响免疫细胞的功能是一个广泛的现象。



研究者进一步研究内皮细胞(EC),发现其中有一部分高表达肿瘤相关性成纤维细胞(CAF)的相关特征基因,因此命名为激活的内皮细胞(aECs)。研究者进一步对额外3例来源于全膀胱根治术的正常前列腺和惰性前列腺癌样本以及5例来源于CRPC患者的肿瘤组织样本进行了单细胞转录组测序,通过拟时序分析发现aEC的比例随肿瘤进展至CRPC逐步升高,aEC细胞亚群大部分均来源于CRPC样本,表明aEC细胞亚群与前列腺癌进展为CRPC密切相关。为了验证这一发现,研究者通过流式分选从原发性前列腺癌、CRPC以及膀胱癌患者的前列腺(癌)样本中分离出aEC细胞亚群,发现大部分aEC细胞亚群来自于CRPC样本,研究者通过共培养发现aEC细胞亚群能够提高前列腺癌细胞的侵袭能力,这些实验都证实了aEC这一细胞亚群在前列腺癌发生发展过程中起着重要的作用。



该研究通过单细胞转录组测序技术揭示了前列腺癌发生发展各个时期微环境各细胞亚群的变化,更新了对肿瘤标记物的理解,发现了前列腺癌单细胞水平的分子分型标记物和与肿瘤进展相关的细胞亚型,对前列腺癌新型治疗策略和肿瘤生物标记物的开发具有重大价值。


Nature Cell Biology同期以:Prostate cancer hijacks the microenvironment 为题发表新闻和专家观点,高度赞扬该研究揭示了前所未知的前列腺癌微环境改变,为前列腺癌转移的治疗开拓了多种路径



据悉,任善成教授是通讯作者,何厚胜王建华是共同通讯作者,上海长海医院泌尿外科是第一单位。

任善成教授长期从事前列腺癌早期诊断指标的转化以及晚期前列腺癌耐药机制的研究,以通讯/第一作者在Nature MedicineNature Cell BiologyMolecular CellEuropean UrologyCell ResearchCell Reports 等国际学术杂志发表论文40余篇。

任善成教授课题组近期招收博士、博士后2-3名,专业方向为生物信息、细胞生物学、肿瘤学和免疫学,有意向者可联系课题组renshancheng@gmail.com.

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41556-020-00613-6
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关键词:
Nature,前列腺癌,KLK3,标记物,样本

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