《自然》及旗下《自然-醫(yī)學(xué)》《自然-癌癥》《自然-方法》等系列子刊聯(lián)手推出重磅專題：人類腫瘤圖譜網(wǎng)絡(luò)計劃（HTAN）的最近研究進(jìn)展。這一計劃從2018年啟動，旨在為腫瘤及其周邊環(huán)境構(gòu)建單細(xì)胞分辨率的三維圖譜，從而解析腫瘤產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和耐藥等生物學(xué)過程。（Nature. 2024年10月30日在線版）

以往的腫瘤研究中，人們通常關(guān)注癌細(xì)胞本身如何突變、增殖等，然而近十年的癌癥研究越來越清晰地表明，腫瘤局部環(huán)境中的免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞等非癌細(xì)胞與癌細(xì)胞的相互作用對于腫瘤的發(fā)生發(fā)展以及治療效果有重要影響。

來自美國、英國、中國等多家研究機(jī)構(gòu)的研究者借助新技術(shù)繪制腫瘤演變中細(xì)胞、結(jié)構(gòu)和分子特征的3D圖譜，帶來了有關(guān)乳腺癌、結(jié)直腸癌、胰腺導(dǎo)管腺癌、腎細(xì)胞癌、子宮內(nèi)膜癌和膽管癌這六大癌癥的詳細(xì)數(shù)據(jù)，提出了多項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。有研究者指出，這些工作開啟了癌癥研究的新時代，有可能改變我們未來理解和治療癌癥的方式。

在此次專題的旗艦論文中，研究者結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）、CODEX蛋白組學(xué)分析平臺、批量測序、單核RNA測序等前沿技術(shù)，剖析了6種不同癌癥的131個腫瘤ST切片，并通過重建三維腫瘤結(jié)構(gòu)深入了解腫瘤的空間異質(zhì)性。

在論文中提出了“腫瘤微區(qū)”（tumor microregion）的定義，描述腫瘤的結(jié)構(gòu)和所在環(huán)境。就像地圖上由不同街道分隔開了不同的社區(qū)，每個微區(qū)是在空間上由基質(zhì)成分隔開的不同癌細(xì)胞群。在不同類型的癌癥中，微區(qū)的大小和密度不同，轉(zhuǎn)移性樣本中的微區(qū)最大。研究者進(jìn)一步將具有同樣遺傳改變的微區(qū)歸為“空間亞克隆“（spatial subclone），拷貝數(shù)變異不同或是基因突變不同的空間亞克隆有不同的致癌活性。

3D細(xì)胞圖譜顯示，腫瘤的核心具有更高的代謝活動，而邊緣的抗原呈遞等免疫活動更多。此外，免疫T細(xì)胞在不同腫瘤中的浸潤深度、不同免疫細(xì)胞類型的聚集位置存在很大差異，例如巨噬細(xì)胞主要停留在邊緣。

研究者還確定了腫瘤內(nèi)部有免疫細(xì)胞活性更高的“熱區(qū)”和相反的“冷區(qū)”，這種現(xiàn)象或可解釋為什么一些腫瘤起初對免疫療法有反應(yīng)，后來卻會產(chǎn)生耐藥性。綜合3D圖譜中的信息，研究人員指出，如果可以識別出各種突變譜以及冷熱區(qū)域，未來或許可以設(shè)計出對腫瘤內(nèi)所有區(qū)域都有效果的靶向治療策略。

在一些轉(zhuǎn)移性腫瘤樣本中，可看到癌細(xì)胞突破了免疫細(xì)胞邊界，進(jìn)一步侵襲健康組織。研究者分析，這或許是腫瘤內(nèi)免疫細(xì)胞衰竭的直觀體現(xiàn)，可用來預(yù)測檢查點(diǎn)抑制劑等免疫療法是否奏效。

專題還展示了研究者用于深入分析腫瘤三維圖譜開發(fā)的新工具和新方法，有助于未來繼續(xù)深入研究癌癥。如美國范德比爾特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Ken Lau研究團(tuán)隊(duì)，利用多用途單細(xì)胞CRISPR平臺開發(fā)出一種分子鐘方法，記錄體內(nèi)細(xì)胞事件和克隆性的時間，并納入細(xì)胞狀態(tài)和譜系信息，可以探索哺乳動物系統(tǒng)發(fā)育和腫瘤發(fā)生的起源和時間。

專題中，Lau教授主導(dǎo)的研究以及其他5篇研究論文為結(jié)直腸癌的起源與演化提供了新的見解，提出結(jié)直腸癌很可能起源于腸上皮的多個正常細(xì)胞，推翻了起源于結(jié)腸內(nèi)壁單個上皮細(xì)胞的觀點(diǎn)。

結(jié)直腸癌是全球第三常見的癌癥類型，也是全球癌癥死亡第二大原因。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)，全球每年新增超過190萬例結(jié)直腸癌患者，約半數(shù)患者會進(jìn)展為晚期階段，每年大約90萬人因結(jié)直腸癌死亡。

為了實(shí)現(xiàn)對結(jié)直腸癌的早期篩查及干預(yù)，掌握腫瘤細(xì)胞的起源和初期演化動態(tài)至關(guān)重要。然而，腫瘤在癌前階段往往會藏匿多年，這也向準(zhǔn)確識別腫瘤起源提出了挑戰(zhàn)。

在一篇《自然》論文中，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所胡政、中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院賀雄雷和中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院何真領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)揭示了結(jié)直腸癌癌前病變的起源與演變。

研究團(tuán)隊(duì)使用了基于單堿基突變的細(xì)胞譜系追蹤系統(tǒng)SMALT（substitution mutation aided lineage tracing system）。SMALT系統(tǒng)能以單細(xì)胞分辨率描述復(fù)雜生物胚胎發(fā)育過程中的細(xì)胞譜系，因此被用于系統(tǒng)性描繪小鼠模型中腸道癌前病變的起源和演化。

根據(jù)對單細(xì)胞系統(tǒng)發(fā)育的分析結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：不同于單克隆起源的觀點(diǎn)，每個病變內(nèi)都有數(shù)十個獨(dú)立的細(xì)胞譜系正在經(jīng)歷平行的克隆擴(kuò)增。更多測序結(jié)果也顯示，人類散發(fā)性結(jié)直腸息肉同樣存在多克隆起源。

結(jié)合測序與臨床數(shù)據(jù)，結(jié)直腸癌的癌前病變起源于多克隆擴(kuò)增，隨后經(jīng)歷了從多克隆到單克隆的轉(zhuǎn)變，因此單克隆病變代表了更晚期的階段。同時，研究還發(fā)現(xiàn)早期多克隆病變中存在廣泛的細(xì)胞間相互作用，體現(xiàn)出早期階段的細(xì)胞間合作，隨后這樣的相互作用在向單克隆轉(zhuǎn)變的過程中逐漸喪失。

這項(xiàng)研究揭示了結(jié)直腸癌癌前病變的多譜系起源以及后續(xù)轉(zhuǎn)變，為早期干預(yù)結(jié)直腸癌提供了新思路。

同期《自然》的另一項(xiàng)研究中，英國劍橋大學(xué)癌癥研究所Douglas Winton教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)同樣發(fā)現(xiàn)大部分腸道腫瘤具有多譜系起源，并且揭示了多克隆性與腫瘤發(fā)生之間的關(guān)聯(lián)。

抑癌基因APC的功能喪失突變是腸道腫瘤發(fā)生的起始步驟。APC突變型腸道干細(xì)胞可以在與其他腸道干細(xì)胞的競爭中獲得優(yōu)勢，促進(jìn)快速克隆擴(kuò)增。

在揭示了大部分腸道腫瘤具有多克隆起源后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，多克隆腫瘤具有攜帶了不同APC突變的亞克隆結(jié)構(gòu)，這些不同之處是由KRAS和MYC信號通路的差異所驅(qū)動的。這些通路水平的變化伴隨著癌癥干細(xì)胞表型的巨大差異。

這些發(fā)現(xiàn)表明，依賴于克隆間致癌途徑的激活差異，克隆間相互作用起到了促進(jìn)腸道腫瘤發(fā)生的作用。

另一篇《自然》論文中，美國紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心的研究團(tuán)隊(duì)則揭示了結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移期間的可塑性。癌細(xì)胞重編程成為高度保守的胎兒祖細(xì)胞狀態(tài)，然后經(jīng)歷非經(jīng)典分化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌镊[狀細(xì)胞和神經(jīng)內(nèi)分泌樣狀態(tài)。這一過程在轉(zhuǎn)移和化療中加劇，并與患者的生存率差有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，PROX1抑制了胎兒狀態(tài)下的非經(jīng)典命運(yùn)，而PROX1的下調(diào)允許實(shí)現(xiàn)非經(jīng)典重編程。

值得一提的是，發(fā)表于《自然-癌癥》的兩項(xiàng)研究也為結(jié)直腸癌在早期階段的進(jìn)展提供了新視角。

家族性腺瘤性息肉?。?/span>FAP）是一種結(jié)直腸癌的早期癌前狀態(tài)，其中一篇論文的作者通過對患者樣本的多組學(xué)分析，揭示了在從癌前轉(zhuǎn)變?yōu)榘┌Y形成的過程中，關(guān)鍵基因、細(xì)胞和分子事件的動態(tài)變化，這些變化涉及了大量與細(xì)胞增殖、免疫反應(yīng)、代謝改變等有關(guān)的過程。例如，研究發(fā)現(xiàn)花生四烯酸通路的激活發(fā)生在增生早期，而該通路正是一項(xiàng)在研FAP預(yù)防性療法的作用靶點(diǎn)。因此，該研究也揭示了結(jié)直腸癌形成早期的藥物預(yù)防潛在機(jī)制。而另一篇《自然-癌癥》論文則揭示了DNA三維結(jié)構(gòu)和早期結(jié)直腸癌進(jìn)展過程中基因調(diào)控之間的復(fù)雜相互作用。

專題中，圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)收集了37例乳腺癌患者的樣本，并通過單細(xì)胞、單核多組學(xué)技術(shù)、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和多重成像技術(shù)對61個組織樣本進(jìn)行了全面分析，展示了不同乳腺癌亞型、突變細(xì)胞起源之間的基因表達(dá)和染色體可及性的聯(lián)系。

一些轉(zhuǎn)錄因子在乳腺癌起源和發(fā)展中有著獨(dú)特作用，比如BHLHE40在管腔乳腺癌和管腔成熟細(xì)胞中非常關(guān)鍵，KLF5則在基底樣腫瘤和管腔祖細(xì)胞有重要作用。而根據(jù)分子表達(dá)譜，作者通過不同基因定義了不同譜系的乳腺癌，以SOX6和KCNQ3為代表的基底樣譜系，以及以FAM155A和LRP1B為代表的管腔細(xì)胞譜系。而基底樣乳腺癌中往往富集了CTLA-4耗竭的CD8+ T細(xì)胞，這也代表了該類乳腺癌特有的免疫障礙特征。

另一篇《自然-醫(yī)學(xué)》論文關(guān)注了乳腺癌轉(zhuǎn)移的分子特征。美國博德研究所等機(jī)構(gòu)的研究者收集了60例轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者的腫瘤樣本，并進(jìn)行了單細(xì)胞或單核RNA測序以及空間表達(dá)分析。研究展示了轉(zhuǎn)移性乳腺癌的細(xì)胞類型組成和基因表達(dá)的可變性，以及全新的空間表達(dá)特征。作者發(fā)現(xiàn)，基底樣腫瘤樣本中有一個具有高度排他性的細(xì)胞亞群，并表征了三種不同的上皮組織向間充質(zhì)組織轉(zhuǎn)化（EMT）的空間表型，EMT也是癌轉(zhuǎn)移常見的程序之一。

研究還評估了巨噬細(xì)胞群體的空間定位特征，鑒定出了兩類獨(dú)特的巨噬細(xì)胞亞型，各自參與了T細(xì)胞相關(guān)的免疫功能調(diào)節(jié)。這些結(jié)果也將為未來的乳腺癌臨床發(fā)現(xiàn)提供更多細(xì)節(jié)信息，加速更多治療性策略的誕生。

（編譯 王涵曦）