單細胞轉錄組測序助力腫瘤干細胞單細胞水平分子特征的研究
腫瘤干細胞（CSC）是腫瘤中一群具有自我更新能力、高分化潛能、強致瘤性和顯著耐藥性的獨特細胞亞群。它們隱藏在腫瘤微環(huán)境中，并與腫瘤的起始、發(fā)展、轉移及復發(fā)密切相關。然而，腫瘤干細胞在單細胞水平的分子特征及其在腫瘤微環(huán)境中的生態(tài)位仍然知之甚少。在腫瘤組織中，CSCs的比例很低，估計約為0.01%至2%，從腫瘤組織中分離和鑒定腫瘤干細胞極具挑戰(zhàn)性。隨著單細胞轉錄組測序的發(fā)展，該技術對于識別關鍵標志物和揭示腫瘤干細胞潛在分子機制具有重要優(yōu)勢。
近日，寧波大學附屬李惠利醫(yī)院沈志森教授和寧波大學廖奇教授團隊在Genomics, Proteomics & Bioinformatics（IF=11.5，Q1）發(fā)表了題為“Characterization of Cancer Stem Cells in Laryngeal Squamous Cell Carcinoma by Single-cell RNA Sequencing”的研究論文。該研究通過單細胞轉錄組測序（技術服務由伯豪生物提供），系統(tǒng)性地鑒定和驗證了喉鱗狀細胞癌（LSCC）患者的腫瘤干細胞群體，詳細闡述了該群體的分子特征及其在腫瘤微環(huán)境中的復雜通訊網(wǎng)絡，為腫瘤干細胞的靶向治療提供了潛在的干預策略。
主要研究內(nèi)容
研究團隊對LSCC原發(fā)腫瘤組織（LC）、匹配的癌旁組織（PT）和局部淋巴結（LM）進行了單細胞轉錄組測序分析。該研究在上皮細胞亞群中標記了8類亞群，通過使用傳統(tǒng)的干細胞標志基因PROM1和ALDH1A1，識別出一個稀有的干細胞（SC）群體（圖1A）。研究發(fā)現(xiàn)，98.26%的SCs處于G1期，且SCs中與細胞周期相關的基因表達顯著較低，即保持靜息或緩慢增殖的狀態(tài)。擬時序分析表明SCs處于上皮細胞的發(fā)育起點，這些特征符合對SCs的已有認知。
然而，腫瘤組織中可能同時存在腫瘤干細胞和正常干細胞（NSCs），進一步聚類分析獲得SC-C1和SC-C2兩個群體（圖1B）。研究團隊發(fā)現(xiàn)94.12%來源于腫瘤組織的SCs被歸類為SC-C2，相反67.81%來源于癌旁組織的干細胞被歸類為SC-C1（圖1B）。與SC-C1相比，SC-C2表現(xiàn)出Wnt/β-catenin信號通路、Notch信號通路、低氧、MYC靶點、炎癥和干擾素反應通路的高活性。轉錄因子活性分析顯示，SC-C2中RUNX1（13g）和SOX4（20g）調(diào)控子的AUC評分顯著高于SC-C1；與先前研究一致，RUNX1和SOX4通常與癌癥復發(fā)、癌細胞干性的維持有關。SC-C2高表達FOLR1、CCL28、FRZB等標志基因，免疫組化也顯示PROM1和FOLR1在癌旁組織中的表達水平高于腫瘤組織。綜上，研究團隊確認SC-C2具有明顯的腫瘤干細胞特征，并且在癌旁組織中富集。進一步使用其他LSCC單細胞測序數(shù)據(jù)和TCGA數(shù)據(jù)也驗證了CSCs的真實存在和組織定位（圖E-F）。
鑒于腫瘤干細胞在癌癥發(fā)展、復發(fā)和轉移中的關鍵作用，其標志基因在臨床中或具有重要應用潛力。研究團隊篩選出了172個CSCs的標志基因，并利用多重免疫組化證實了其中3個（PROM1、FOLR1和DMBT1）在腫瘤組織切片中的表達。對腫瘤干細胞標志基因構建的預后模型，也獲得了良好的預測準確性（圖1G）。研究團隊進一步鑒定了24個特異性表達的基因，并結合iLINCS數(shù)據(jù)庫預測了若干潛在的靶向藥物，即可能通過抑制特異性基因的表達來抑制CSCs的發(fā)生發(fā)展。
最后，研究團隊還對腫瘤干細胞與免疫細胞、基質細胞之間的通訊網(wǎng)絡進行了深入解析，發(fā)現(xiàn)髓系細胞表達的NAMPT誘導CSCs中INSR的高表達，推測抑制NAMPT是抑制CSCs的潛在靶點。相較于NSCs，該研究還發(fā)現(xiàn)CSCs具有調(diào)控血管細胞發(fā)展的能力，相關通路在CSCs中表現(xiàn)出更強和更特異性的模式（圖1H）。
挑戰(zhàn)與展望
綜上所述，該研究在單細胞水平上對LSCC中的腫瘤干細胞及其特征進行了全面的分析和表征，深入了解了腫瘤干細胞的標志基因、轉錄因子、功能等分子特征，構建了預后分析模型，預測了潛在的干預靶點和藥物，探究了腫瘤干細胞與腫瘤微環(huán)境細胞間的通訊網(wǎng)絡，為開發(fā)腫瘤干細胞靶向治療策略奠定了基礎。然而，腫瘤干細胞的來源和演化仍然較為模糊，腫瘤干細胞的耐藥機制也尚未完全闡明，需要更多臨床樣本進行研究，以期開發(fā)針對CSCs的治療策略。
論文原文：
Li Y, Lin C, Chu Y, Wei Z, Ding Q, Gu S, Deng H, Liao Q, Shen Z. Characterization of Cancer Stem Cells in Laryngeal Squamous Cell Carcinoma by Single-cell RNA Sequencing. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2024 Aug. doi: 10.1093/gpbjnl/qzae056.
來源：測序中國
