今天給大家解析一篇北京大學湯富酬課題組發(fā)表在GUT發(fā)表的文章，題目為：“Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patientswith familial adenomatous polyposis”。本篇文章同時收集了同一患者相鄰的正常組織、不同分期的腺瘤和癌樣本，采用多區(qū)域抽樣策略研究腫瘤內異質性。每個病灶同時收集三組數(shù)據(jù)：WES、WGS和單細胞RNA-seq數(shù)據(jù)。對同一FAP患者不同階段病變的基因組景觀和克隆結構進行了綜合研究。此外，文章還使用單細胞RNA-seq數(shù)據(jù)來研究同一FAP患者多區(qū)域病變之間的轉錄組異質性，并探索結直腸腺瘤起始和癌變過程中腫瘤細胞中的轉錄組動態(tài)變化。
家族性腺瘤性息肉病(FAP)是一種常染色體顯性綜合征，FAP主要由基因APC的遺傳突變引起。FAP患者在結腸和直腸會發(fā)展為數(shù)百到數(shù)千個腺瘤，如果不及時治療，這些腺瘤將不可避免地發(fā)展成腺癌。
相比于非FAP結直腸癌患者，FAP患者中的體內的病變組織會處在多個階段，即同一患者體內同時存在正常上皮、不同級別腺瘤、早期癌、進展期癌等不同病變，這使得FAP成為追蹤結直腸癌發(fā)生發(fā)展最理想的自然模型。
本研究的隊列包括6例FAP患者，1例MUTHY相關性息肉病(MAP)患者和2例散發(fā)性結直腸癌患者。共采集56份樣本：外周血6份，相鄰正常組織12份，低級別腺瘤23份，高級別腺瘤5份，癌樣本10份。最小的腺瘤直徑為2毫米，最大的癌直徑為50毫米。
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通過WES數(shù)據(jù)分析，67個樣本共發(fā)現(xiàn)8327個體細胞突變。經(jīng)過篩選，共鑒定出4,220個潛在致病突變。文章統(tǒng)計了體細胞突變、拷貝數(shù)缺失和拷貝數(shù)改變(CNAs)，結果顯示APC的突變頻率最高。與相鄰的正常組織相比，低級別腺瘤已經(jīng)出現(xiàn)更多的體細胞突變。與低級別腺瘤相比，癌組織樣本具有相對更高的突變負荷。
文章對單個患者的不同部位的體細胞突變譜構建了譜系發(fā)生樹，F(xiàn)AP1樣本中病灶共享突變高于非共享突變，表明這些空間分離的病灶是單克隆的，來自同一細胞。其他樣本中也存在同樣的現(xiàn)象，說明癌前細胞積累了潛在的致病突變，使其具有增殖優(yōu)勢，然后其子細胞通過隱窩裂變擴展到鄰近區(qū)域，隨著其他致病事件的積累，形成空間分離的病灶。這一現(xiàn)象表明，致病事件可能在臨床可識別的腺瘤出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在了。
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文章將FAP患者的上皮細胞與正常的散發(fā)性結直腸癌的轉錄組數(shù)據(jù)進行對比分析，FAP上皮中最顯著上調的基因是OLFM4，它被報道為腸干細胞和CRC細胞亞群的標記物；另一個上調的基因，ATF3，是一種致癌的抑制轉錄因子，可以被缺氧誘導。通路富集分析表明，F(xiàn)AP患者中上調基因在肽生物合成、核苷酸代謝、氨基酸代謝、脂質代謝和碳水化合物代謝等代謝過程中均有較強富集信號。
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文章通過對FAP患者單細胞測序數(shù)據(jù)，分析病變過程中的轉錄異質性。通過tSNE分析，所有FAP1上皮細胞被分成4組。4組細胞樣本根據(jù)其不同的空間位置被分為腺瘤組和癌組，每個組都有其不同的轉錄組學特征，這些結果表明，腫瘤的轉錄組異質性可能由其空間位置決定，并受到周圍微環(huán)境的影響。然而，在FAP4和FAP5的低級別腺瘤樣本中未發(fā)現(xiàn)空間區(qū)域特異性的轉錄組特征。
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文章分析了腺癌向癌癥轉變過程中的轉錄組動態(tài)變化，并根據(jù)變化趨勢的不同，將基因分為4組。第一組基因在相鄰的正常上皮中表現(xiàn)出表達水平的增加。在致癌過程中，這些基因首先在早期病變階段下調，然后在后期階段上調。這些基因參與了三羧酸循環(huán)（TCA）循環(huán)、呼吸電子運輸、葡萄糖生成、線粒體活動等。這一結果與之前的研究結果一致，即癌細胞主要利用糖酵解而不是TCA途徑來產(chǎn)生能量的。大多數(shù)參與TCA循環(huán)的基因從鄰近的正常上皮到腺瘤先是下調，然后從腺瘤到癌的過程中略微上調，表明TCA途徑在癌前腺瘤中已經(jīng)受到強烈地抑制。
第2組的基因在癌變的早期階段也表現(xiàn)出下調，而第3組的基因直到癌變的晚期階段才被下調。第2組的基因富集在代謝信號通路中，而第3組的基因富集在離子止血和凋亡信號途徑中。第4組的基因在癌癥發(fā)生的晚期被上調，并富集在骨髓白細胞激活、傷口愈合和細胞對酸性化學物質的反應中。
資料來源
【1】Li J, Wang R, Zhou X, et al. Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patients with familial adenomatous polyposis[J]. Gut, 2020, 69(7): 1283-1293.
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