单细胞转录组揭示了结直肠癌中异质性癌症干细胞及其器官特异性转移
单细胞转录组揭示了结直肠癌中异质性癌症干细胞及其器官特异性转移
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论文基本信息
题目：Single-cell transcriptomic analysis deciphers heterogenous cancer stem-like cells in colorectal cancer and their organ-specific metastasis 期刊：GUT 发表时间：2024 单位：中山大学肿瘤中心 组织类型：远处转移的结直肠癌（CRC） 组学：scRNA, ST 测序平台：10X Genomics 样本数：8个原发性CRC样本，5个卵巢转移CRC（oCRC）样本，2个肝脏转移CRC（lCRC）样本，7个邻近正常组织样本和7个PBMC样本 细胞数：167,205 数据下载：https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa-human, accession number HRA002863
背景知识
本研究研究通过scRNA和ST技术，详细探索了原发性结直肠癌（CRC）及其肝脏（lCRC）和卵巢（oCRC）转移的癌细胞异质性。发现一个表达蛋白酪氨酸磷酸酶受体型O（PTPRO）和刺蛾型乙基基因2（ASCL2）的类干细胞群体是转移的主要原因。这些类干细胞还显示出向肝脏或卵巢转移的特异性倾向。类干细胞与肿瘤相关成纤维细胞和内皮细胞通过DLL4-NOTCH信号通路进行交互作用，从而实现从原发性CRC到卵巢的转移。在卵巢转移的微环境中，肌成纤维细胞为癌细胞提供谷氨酰胺，并执行代谢重编程，这可能对癌细胞在卵巢中的定位和发展至关重要。本研究揭示了结直肠癌特定器官转移的机制，特别强调了干细胞在肿瘤转移中的作用及其与肿瘤微环境中其他细胞类型的相互作用。
Figure 1 人类结直肠癌CRC的scRNA图谱
(A) 样本收集、scRNA及ST分析和公共数据集的综合分析示意图。CRC结直肠癌；lCRC肝转移性结直肠癌；oCRC卵巢转移性结直肠癌；PBMC外周血;
(B) UMAP图展示230,818个细胞的细胞类型；
(C) 不同细胞类型的dotplot图。点的大小表示表达细胞的比例，颜色代表正常化的基因表达水平。
(D) 不同组织类型中细胞类型的相对比例。
(E) 正常组织、无远处转移患者的原发性CRC（NM-CRC）、有远处转移患者的原发性CRC（M-CRC）、oCRC和lCRC中不同细胞类型的比例。
Figure 2 类干细胞是结直肠癌转移的起源
(A) UMAP图显示14种上皮细胞亚型。
(B) 气泡热图显示14种上皮细胞亚型中标记基因的表达水平（以不同颜色表示）和表达细胞的比例（以不同点大小表示）。
(C) 通过Ro/e分数估计不同上皮细胞的组织分布。
(D) UMAP图显示上皮细胞的拷贝数变异（CNV）得分。
(E) 山脊线图显示五种恶性细胞亚型的基因组不稳定性得分。
(F) 14种上皮细胞亚型的分区基图抽象分析（左图）和14种上皮细胞亚型的RNA速度UMAP（右图）。
(G) 所有上皮细胞的干细胞性得分密度。
(H) 类干细胞与其他细胞亚型之间的差异性基因表达。Y轴表示-log2 p值，基因按log2倍数变化沿x轴排序。
(I) 基因集富集分析显示MYC靶标V1和WNT/β-连环蛋白信号通路在类干细胞中上调。包括正常化富集得分（NES）和假发现率（FDR）。
Figure 3 ASCL2和PTPRO的过表达导致CRC类干细胞转移性表型
(A) 在14种上皮细胞亚型中ASCL2和PTPRO的表达水平。点的大小表示表达细胞的比例，颜色代表正常化表达水平。
(B) 基于患者2的原发性CRC样本的空间转录组分析，类干细胞特征得分（左图），ASCL2（中图）和PTPRO（右图）的表达水平。
(C) 免疫荧光显示原发性CRC样本中类干细胞的聚集。
(D) ASCL2耗竭（shASCL2）对PTPRO表达水平的影响。
(E) 腹膜CRC转移与原发性CRC肿瘤中心或侵袭前沿（来自GSE75117数据集）中PTPRO表达水平的比较。
(F) 通过PTPRO表达水平对微卫星稳定CRC患者的总生存时间进行Kaplan-Meier估计。
(G) PTPRO耗竭（shPTPRO）对CRC细胞迁移和侵袭能力的影响。
(H) PTPRO表达变化（shPTPRO）对CRC细胞球形传播能力的影响。
Figure 4 CRC类干细胞在器官特异性转移中的异质性
(A) UMAP图显示八种类干细胞亚型。
(B) 密度图显示不同器官中类干细胞亚型的分布。白框突出显示每个器官中类干细胞亚型的高比例。
(C) 正常组织、CRC、lCRC和oCRC中P1、P2、P3和P4细胞的比例。
(D) CRC、lCRC和oCRC中细胞亚型及其空间分布的分配。
(E) 每种类干细胞亚型的特征表达。
(F) 原发性CRC中P1细胞和P3细胞之间的差异性表达基因。
(G) 热图显示原发性CRC、oCRC和lCRC中P1细胞和P3细胞的一些DEGs的表达水平。
(H) 比较有肝脏转移（LM）或卵巢转移（OM）的患者原发性CRC中DLL4水平。
(I) 接收者操作特性（ROC）曲线显示原发性CRC中DLL4蛋白水平对卵巢转移的预测效率（曲线下面积（AUC）=0.7083）。
Figure 5 DLL4、ASCL2和PTPRO促进CRC卵巢转移
(A) ASCL2、PTPRO或DLL4耗竭对CRC卵巢转移的影响。
(B) 根据ASCL2、PTPRO或DLL4耗竭，鼠类中有卵巢转移（OM）和无卵巢转移（non-OM）的比例。
(C) 小鼠卵巢转移的代表性H&E染色图像。红色箭头指示CRC转移。标尺为500微米和250微米。
Figure 6 CRC转移中类干细胞与癌相关成纤维细胞CAFs和分化的内皮细胞的相互作用
(A) 13种CAFs亚型的UMAP图。
(B) 原发性CRC中CAFs与P1/P6细胞之间选定的配体-受体对。
(C) 基于P1-CAFs相互作用得分，对TCGA-COAD数据集中的生存时间进行Kaplan-Meier估计。
(D) 10种内皮细胞亚型的UMAP图（左图）和这些内皮细胞亚型的层级聚类（右图）。
(E) 气泡热图显示不同内皮细胞亚型中选定标记的表达水平。点的大小表示表达细胞的比例，颜色表示正常化表达水平。
(F) 通过Ro/e得分估计内皮细胞亚型在组织中的流行度。
(G) 有或无CRC转移的患者中四种内皮细胞亚型的特征得分。数据来自TCGA-COAD数据集。
(H) 四种内皮细胞亚型中某些途径的基因表达水平的热图。
(I) 四种内皮细胞亚型中NOTCH信号通路中某些基因的差异表达水平。
(J) 四种内皮细胞亚型中分化的内皮细胞的D特征得分的比较。
(K) P1和CAFs或Art_NOTCH4/Tip_COL4A1之间的DLL4-NOTCH配体-受体对所涉及的网络。
Figure 7 oCRC的代谢特征描述
(A) oCRC微环境中存在的细胞亚型示意图。
(B) 使用Monocle2推断的三种肌成纤维细胞亚型的拟时序分析。细胞亚型通过不同颜色标记（左图）和拟时序（右图）。
(C) 条形图显示sender和receptor的通信次数。x轴是肌成纤维细胞和癌细胞亚型，y轴是通信次数。
(D) 示意图显示从肌成纤维细胞到FDPS+恶性细胞的代谢物-传感器通信的信息流。点的大小代表连接数。线条连接发送者、代谢物、传感器和接收者。
(E) 小提琴图显示两种肌成纤维细胞和五种恶性细胞亚型的GLUL mRNA水平。
(F) oCRC中五种恶性细胞亚型的代谢得分，显示FDPS+恶性细胞具有最高的代谢活性。圆圈的大小和颜色深度均代表标度化的代谢得分。
(G) 盒形图显示五种恶性细胞亚型中选定代谢物的富集水平。
(H) 五种恶性细胞亚型中谷氨酸代谢途径中基因的表达水平。点的大小表示表达细胞的比例，颜色表示正常化表达水平。