纯生信发一区10+，图还少，一看一个不吱声

今天给大家的分享的这篇只有两张主图的文章刚刚发表在Genome Medicine（IF: 12.3）上。在这篇文章中，作者通过使用先前建立的方法探测癌症大量转录组以寻找单细胞定义的人类参考信号的证据，从而对癌症细胞状态进行量化，似乎打破了一些固有认知。下面详细看看。

背景

恶性转化的基础是细胞状态向分化程度较低或干细胞样状态的变化。因此，癌症可以广泛地保留起源的细胞状态或转化为类似于更原始的细胞类型，即组织特异性胎儿或原始胚胎细胞。哪个细胞是原始的或其他的癌症假设是癌症生物学的一个基本问题，因为它提供了癌症形成后果的净读数。

癌症细胞状态可以使用代表细胞表型和分化状态的转录读数来研究，这种分析的关键挑战是从定量分子的角度定义细胞状态，如干性、胚胎性、胎儿性等。一种方法是使用适当的mRNA信号，使用应用于单细胞图谱的无监督聚类或模式识别方法识别，这些信号体现了癌症可能转变成的状态。许多研究已经使用这种方法来研究整个人类癌症范围内的“干性”，例如，通过测量来自体外分化的人类胚胎干细胞的干性信号。这些研究表明，人类癌症转录组类似于体外分化胚胎干细胞的转录模块。这些模块的相关性是否代表了向产前状态的全局转录转换，目前尚不清楚。此外，可以想象的是，其他发育状态，如原肠胚形成、胎儿组织或出生后干细胞，也可能对癌症转录组的状态有贡献。

最近的人类细胞图谱项目，已经开始使用单细胞信使核糖核酸测序，为多个组织的所有发育阶段提供人类细胞的转录定义。这些参考转录组为研究癌症转化提供了机会，使用比过去更完整、更细微的参考状态。

前因

作者分析的出发点是测试用到的方法是否获得了与人类成年癌症“干性”现有测量方法类似的信息。将先前发表的基于基因集的干性评分与更广泛的干性信号进行了比较，干性信号是人类原肠胚形成前胚胎细胞（下胚细胞和表胚细胞）的转录组。尽管在基本方法上存在这些差异，但作者观察到干度评分和作者的测量结果（由人类原肠胚形成前胚胎细胞解释的每个癌症大量转录组的分数）具有强烈的相关性。然而，作者还发现，每个癌症转录组中只有一小部分可以用早期胚胎信号来解释，这在与阳性对照转录组（卵裂细胞样转录组）相比时特别明显。通过检查哪些基因驱动干性评分，作者发现与细胞周期的S期和G2M期相关的基因是干性的重要驱动因素。与这一观察结果一致，作者发现分裂组织的干性得分高于非分裂组织。总的来说，这些结果表明，增殖是先前报道的干性评分的关键驱动因素。这就提出了一个问题，即癌症是否表现出超越增殖信号的组织特异性信号，即恢复到产前状态。

结果

因此，作者通过逐步扩大用于比较的参考，重新检查了大量转录组。在分析的连续迭代中，作者用以下人类细胞图谱扩展了原肠胚形成前细胞的参考：原肠胚、胎儿组织和成人组织。

对于对照群体（胚母细胞），即使提供了658368个胎儿和产后细胞，绝大多数大量转录组信号也可以通过早期胚胎和原肠胚形成参考来解释。相比之下，根据组织特异性参考，实体癌几乎没有保留早期胚胎信号（图1A，B）。作者还研究了来自分化程度最低的细胞类型的聚集信号是否可以预测生存结果。虽然在三种成人肿瘤类型和一种儿科肿瘤类型中，来自这些分化程度最低的细胞类型的较高信号与较差的生存结果相关，但这并不普遍。总之，这些结果表明，虽然癌症细胞可能与胚胎干细胞共享功能特征，但癌症转录组不会恢复到胚胎状态。

虽然根据更多成熟的参考，胚胎信号似乎没有可辨别的生物学意义，但作者发现儿童肿瘤与成人肿瘤中保留的胎儿信号量或“胎儿性”之间存在强烈而一致的差异（图1C）。这一发现扩展了先前在肾肿瘤中的工作，该工作描述了儿童时期的胎儿样转录组，但不是成人肾肿瘤。

图1

但有一个局限性是，作者在分析中使用的泛组织人类图谱不可避免地缺乏专门的组织特异性细胞图谱的注释和分辨率。尽管泛组织分析足以对干性、泡沫性等做出一般性陈述，但不足以与特定细胞类型进行详细比较。

因此，在作者分析的第二部分，试图利用详细的组织特异性细胞图谱和单个癌症细胞转录组来研究特定的肿瘤，以验证作者的发现。在这项分析中，作者将重点放在肝癌和结直肠癌癌症上，因为可以获得正常肝脏和结直肠癌组织的发育和成年细胞图谱。

肝细胞癌（HCC）是最常见的成人肝癌癌症。它是一种上皮性癌症，由肝细胞引起，通常与慢性肝病有关。肝细胞癌的确切状态尚未确定，而且关于肝胆干细胞性质的争论仍在继续。值得注意的是，一些肝细胞癌恢复了胎儿白蛋白（甲胎蛋白，AFP）的表达，这可能代表一些癌症向胎儿肝状态的逆转。

作者评估了来自3个队列的360个肝细胞癌大量转录组，以及64个儿童肝癌、肝母细胞瘤（HB）的大量转录组。使用成人和胎儿肝脏的高度详细的联合参考图谱，以及原肠胚形成前和早期胚胎参考，作者探究了哪种参考文献最能解释大量转录组的状态。与作者的泛组织分析一样（图1），参考胎儿和成人肝细胞占肝细胞癌和肝母细胞瘤转录组的大部分（图2A）。因此，肝细胞最完全地代表了肝细胞癌大量转录组的状态，而不是更原始的人类细胞群体。

分析的下一步是确定哪种精确的肝细胞类型最能解释肝母细胞瘤和肝细胞癌的转录组，并排除信号来源于非实质细胞。

作者发现，成人和胎儿肝细胞（单独或联合），是成人肝细胞癌的主要细胞信号，肝母细胞瘤如预期的那样倾向于胎儿肝细胞（图2A）。在一些HCC中，胎儿成肝细胞信号占主导地位，这与血清AFP水平和AFP mRNA计数相关。当作者从参考转录组中去除AFP时，这种信号的优势仍然存在，这表明它不是由这种转录物单独驱动的（图2B）。一些肝细胞癌的胎儿状态可能具有预后意义，因为AFP血清水平以前与肝细胞癌中的不良预后有关。与作者的全组织分析一致（图1C），作者发现胎儿肝细胞信号在儿童癌症肝母细胞瘤中占主导地位（图2A）。

为了验证这些发现，作者整合了（已发表的）肝细胞癌的单细胞转录组，并使用Chromium 10X平台从肝母细胞瘤中生成13180个单细胞转录组（图2C）。对于每个单细胞转录集，作者根据用于分析大量转录组的相同参考计算了相似性得分（图2D）。单细胞mRNA分析验证了作者的大量转录组发现，即成人肝细胞癌可被视为异常的成人肝细胞，其中一些转化为胎儿肝细胞状态。相比之下，大多数儿童肝母细胞瘤细胞与胎儿肝细胞相匹配（图2D）。

图2A，B，C，D

接下来，作者将作者的分析方法应用于结直肠癌的大量和单细胞转录组，以及腺瘤（息肉）。腺瘤是结直肠上皮的低级别肿瘤病变，通过连续获得导致癌症的体细胞突变（腺癌序列），有可能发展为癌症。在第一个实例中，作者评估了哪种参考最充分地解释了腺瘤和癌症转录组（图2E），并再次发现组织特异性结肠直肠参考（而不是更原始的参考）提供了最佳拟合，胎儿细胞对这种成人癌症的信号贡献很小。

然后，作者分析了结直肠组织参考的哪种特定细胞类型主要解释了腺瘤体转录组（图2E）。作者发现成年而非胎儿的结直肠干细胞信号在各种癌症中占主导地位，更成熟的上皮细胞的贡献大致相当。有趣的是，腺瘤中弥漫着相同的干细胞信号。因此，尽管存在转录、遗传和组织学差异，但从细胞状态的角度来看，从腺瘤到癌没有明显的变化（例如进一步逆转）。接下来，通过比较单个癌症细胞和正常参考细胞来验证结直肠癌中的细胞信号，这证实了结直肠癌癌症细胞类似于干细胞和更成熟的上皮细胞的混合物（图2F，G）不会去分化为更原始的状态。总体而言，这些发现表明，癌前和恶性结直肠癌的主要细胞状态是结直肠癌干细胞。这可能表明这些肿瘤的起源细胞是结肠直肠干细胞，或者，无论结肠直肠上皮肿瘤的分化层次在哪里起源，它们最终都会聚在干细胞状态。

图2E，F，G

讨论

从转录角度研究癌症的去分化状态主要集中在与干细胞的相似性或“干性”上。这项研究表明，当考虑更广泛的参考状态时，癌症细胞获得的转录状态更为细微，成人癌症最好由出生后的细胞来解释。因此，未来旨在了解成人癌症转录行为的工作应该考虑产后组织特异性模型，而不是胚胎干细胞。

作者还发现成人和儿童癌症之间存在明显的分类差异，儿童癌症转录组与胎儿细胞更相似。这与儿童癌症发生在发育过程中的理论是一致的。无论哪种方式，这些发现都表明，至少在转录方面，儿童癌症应该与同一组织的成人癌症区别对待。未来的工作可能能够利用这些差异进行治疗或诊断。

结论

作者的大量转录组数据显示，成人癌症很少恢复到胚胎状态，但胎儿状态几乎是儿童癌症的普遍特征。这一发现得到了单细胞癌症转录组的证实。该分析揭示了成人癌症分化状态的细微差别，其中大多数成人肿瘤最好用产后细胞来解释，但不能用恢复到产前状态来解释。相比之下，“胎儿样”转录组几乎是儿童肿瘤的普遍特征，这可能是因为它们可能起源于发育过程。总体而言，这些发现表明，在转录组水平上，癌症转化是一个高度组织和癌症类型特异性的过程，而不是成人癌症的一般标志。