这是一篇在2024年11月12日发表在JTM [IF: 6.1/Q1]杂志上的文章《Single‑cell and bulk transcriptome analysis reveals tumor cell heterogeneity and underlying molecular program in uveal melanoma》
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葡萄膜黑色素瘤（Uveal melanoma，UM）是一种罕见的恶性眼肿瘤，具有高度的转移潜能，其发病机制可能与肿瘤细胞的异质性有关。尽管恶性细胞在肿瘤微环境中占优势，但其异质性和潜在的分子特征仍有待于充分表征。作者团队分析了17个UM肿瘤的37，660个恶性细胞的单细胞转录组谱。作者团队使用一种共有非负因子分解算法来解读肿瘤细胞内在异质性的转录程序。肿瘤浸润的免疫细胞通过大量转录组和生物信息学方法进行计算估计。推导出用于亚型和预后分层的基因签名，并在多中心队列中进行验证。结果ScRNA-seq分析显示肿瘤内和肿瘤间存在不同的恶性细胞亚群和转录变异性。此外，作者团队还观察到恶性细胞状态和组成的异质性与基因组、免疫学和临床特征相关。通过在单细胞水平上鉴定与恶性细胞异质性相关的基因表达程序，UM样本被分为两种不同的肿瘤内亚型（ITMHlo和ITMHhi），具有不同的预后和免疫微环境。最后，开发了一种机器学习衍生的9基因签名，将单细胞信息转化为大块组织转录组，用于患者分层，并在多中心队列中进行了验证。结论我们的研究为了解UM的肿瘤内异质性及其对患者分层的潜在影响提供了见解。
Figure 1 展示了单细胞RNA测序分析的结果，图a通过t-SNE可视化了来自17个UM患者的51464个细胞，按不同的细胞簇进行分组。图b展示了各簇的标记基因表达情况，其中点的大小表示基因的表达量，颜色则表示表达强度。整体上，图示揭示了UM肿瘤细胞的复杂异质性，不同细胞簇代表了不同的细胞类型和转录组特征，包括恶性细胞、免疫细胞、内皮细胞等。这些结果为后续的细胞类型识别和转录程序分析奠定了基础（通讯作者通知改一下图，在这里表示一下歉意）。
Figure2 展示了ITMHhi和ITMHlo亚型恶性细胞的基因表达差异以及其与临床特征的关系。图a中的火山图显示了两亚型间的差异表达基因，标出了显著差异的基因；图b则展示了这些差异基因的功能富集分析，揭示了不同亚型的基因主要参与的生物过程和通路。图c通过热图展示了这两种亚型的基因表达模式与临床特征（如肿瘤大小、转移等）之间的关联。最终，图d和图e通过Kaplan-Meier生存曲线显示，ITMHhi亚型的患者在整体生存和无进展生存方面均显著较差，验证了亚型对预后的重要影响。
Figure3 展示了与肿瘤细胞异质性相关的分子特征，包括基因组变化和转录程序。图a显示了通过InferCNV推测的单细胞群体中的拷贝数变异（CNVs），并比较了ITMHhi和ITMHlo亚型的基因组差异。图b则展示了TCGA-UM队列中两亚型的CNVs分布，强调了在ITMHhi亚型中常见的染色体3和8的变化，进一步揭示了这些基因组异常可能与肿瘤的转录特征相关。图c展示了常见的突变基因，表明ITMHhi和ITMHlo亚型在突变谱上有显著差异。图d通过热图展示了从NMF分析中得到的五种转录程序及其相关的功能通路，图e进一步分析了这些程序在ITMHhi和ITMHlo亚型中的富集程度，揭示了两亚型的功能特征差异。
Figure 4 展示了肿瘤细胞异质性与免疫微环境重编程的关系。图a是通过t-SNE可视化的免疫细胞群体，展示了T细胞、髓系细胞和B细胞的不同亚群。图b展示了ITMHhi和ITMHlo亚型肿瘤中CD8+耗竭T细胞（CD8 Tex）、增殖耗竭T细胞（Prol Tex）和调节性T细胞（Treg）的浸润差异，表明ITMHhi亚型肿瘤有更高的免疫抑制特征。图c进一步显示了这两类肿瘤中免疫耗竭、免疫抑制和细胞毒性得分的差异，表明ITMHhi肿瘤的免疫微环境更加抑制。图d通过CIBERSORT和ssGSEA分析了TCGA队列中免疫细胞的组成，验证了这些免疫细胞在两亚型中的浸润差异。图e揭示了在ITMHhi亚型T细胞中活化的关键转录因子STAT1的上调，图f和图g展示了恶性细胞与免疫细胞之间的细胞间相互作用，特别是HLA类I分子与CD8+ T细胞亚群的相互作用，暗示了ITMHhi亚型肿瘤可能通过免疫逃逸机制重编程其免疫微环境。
Figure5 展示了用于定义UM肿瘤细胞内在亚型和预测患者生存的9基因特征模型的构建与验证。图a展示了9基因特征选择和模型构建的流程，包括单细胞差异基因分析、递归特征消除方法（RFE）和XGBoost算法的应用，最终生成了一个基于9个基因的生存预后模型。图b通过Kaplan-Meier生存曲线展示了在Laurent、Gangemi和Van Essen等三个多中心队列中，根据9基因模型预测的ITMHhi亚型和ITMHlo亚型患者的生存差异，结果显示ITMHhi亚型患者的生存期显著较短，验证了该模型在不同队列中的有效性。图c比较了9基因模型与现有的细胞遗传学分类和分子分类方法的ROC曲线，表明9基因模型在5年生存预测方面的表现优于其他现有方法。
本文的亮点在于通过综合单细胞RNA测序和整体转录组数据，深入解析了脉络膜黑色素瘤（UM）肿瘤内部的转录异质性，并发现其与肿瘤的临床特征和预后密切相关。具体亮点包括：
揭示UM肿瘤细胞异质性：研究首次系统地解析了UM恶性细胞的内部异质性，发现了ITMHhi（高异质性）和ITMHlo（低异质性）两种肿瘤亚型，这两种亚型在基因表达、免疫微环境以及预后方面存在显著差异。
免疫微环境重编程：研究深入分析了肿瘤细胞异质性与免疫微环境的关系，发现ITMHhi亚型肿瘤具有更强的免疫抑制特征，特别是在T细胞耗竭和免疫逃逸方面，提示该亚型可能需要更为针对性的免疫治疗。
9基因特征模型的开发与验证：基于差异表达基因，本文开发了一个9基因的预后模型，能够准确区分ITMHhi和ITMHlo亚型患者，并且在多中心队列中得到验证，提供了新的临床工具用于患者的生存预测和个性化治疗。
代谢通路的差异：分析显示，ITMHhi和ITMHlo亚型在代谢特征上有明显不同，前者主要依赖糖酵解，后者则以氧化磷酸化为主，提示这两类肿瘤可能需要不同的代谢靶向治疗。
本文还提供了原文中所有Figure的代码：（https://github. com/ Zhoul abCPH/ UVM_ ITH），欢迎感兴趣的观众老爷自取。
写在最后，本文作者团队通过单细胞RNA测序和整体转录组数据，深入探讨了脉络膜黑色素瘤（UM）肿瘤细胞的转录异质性，并基于肿瘤细胞的异质性特征将UM患者分为两种亚型：ITMHhi（高异质性）和ITMHlo（低异质性）。研究通过分析差异表达基因，构建了一个9基因特征模型（ITMH）用于预测患者预后，并在多个独立队列中验证了该模型的准确性和稳定性。此外，作者还结合免疫微环境的分析，揭示了高异质性肿瘤亚型在免疫逃逸方面的特征，进一步验证了ITMHhi亚型患者较差的生存预后。这篇文献整合了基因组学、免疫学和临床数据，提出了基于肿瘤细胞异质性的亚型划分，并结合生物学验证和多中心数据集的验证，增强了研究结果的临床应用潜力。研究方法新颖，结果富有临床指导意义，为UM的个性化治疗和预后评估提供了有力的工具和新的方向。总的来说，这篇文章通过细致的分型和多层次的验证，展示了转录组数据在肿瘤异质性分析中的强大潜力，是基因集分析、分型及预后模型构建的典型范例，值得学习和借鉴。
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