研究背景

結(jié)直腸癌（Colorectal Cancer，CRC）在全球范圍內(nèi)是發(fā)病率第三、致死率第四的高發(fā)癌癥。CRC 包含腺癌、類癌、肉瘤和淋巴瘤等，較為常見的是腺癌，占比高達(dá) 95%。這篇多組學(xué)文獻(xiàn)是湯富酬教授和付衛(wèi)教授團(tuán)隊聯(lián)合發(fā)表于《GUT》，家族性腺瘤性息肉病（Familial Adenomatous Polyposis, FAP）是 CRC 的一種特殊病例，是由 APC 抑癌基因胚系突變導(dǎo)致的常染色體顯性遺傳的結(jié)直腸腺瘤綜合征，同一個 FAP 患者可能同時取得低級別腺瘤、高級別腺瘤以及腺癌組織，避免了癌癥機(jī)理研究中不同患者之間腫瘤組織的個體差異巨大的問題，為研究腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)化的過程提供了天然的研究模型。

研究思路

選取 6 例典型 FAP 患者、1 例非典型 FAP 患者（MUTYH 突變相關(guān)的結(jié)直腸多發(fā)腺瘤）通過全基因組淺測序和全外顯子組深測序，深入的研究了來自于同一個 FAP 患者的多個病變組織之間的譜系發(fā)生關(guān)系以及良性腺瘤向惡性腺癌轉(zhuǎn)變過程中的基因組變異情況。同時，為了研究腺瘤發(fā)生及腺瘤向腺癌惡變過程中的轉(zhuǎn)錄組動態(tài)變化，對 6 例典型 FAP 患者、1 例非典型 FAP 患者以及 2 例對照散發(fā)結(jié)直腸癌患者的 8757 個細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序。并以這些單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)了腺瘤發(fā)生以及腺瘤向腺癌惡化的轉(zhuǎn)錄組動態(tài)變化過程，系統(tǒng)的闡述了該過程中重要的基因表達(dá)變化事件。

研究結(jié)果

首先在基因組水平上（全基因組重測序和全外測序）比較來自于同一個患者的不同病變階段的腺瘤和腺癌組織，發(fā)現(xiàn)相對于癌旁組織，即使是低級別腺瘤的體細(xì)胞突變數(shù)目已經(jīng)明顯增多。良性的高級別腺瘤的體細(xì)胞突變數(shù)目甚至可以比惡性腺癌的體細(xì)胞突變數(shù)目還高。出現(xiàn)頻率高的潛在體細(xì)胞致病突變是抑癌基因 APC 基因。不同患者在其他潛在的致病基因的突變譜上表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的個體間異質(zhì)性。與以前的報道一致，APC 是人結(jié)腸直腸上皮細(xì)胞中的 gatekeeper 基因，APC 具有高的突變頻率，包括體細(xì)胞突變，拷貝中性雜合性缺失和拷貝數(shù)變異。

同一 FAP 患者同時取到了低級別腺瘤、高級別腺瘤以及惡變的腺癌組織樣本，這一優(yōu)勢非常適合于腫瘤克隆演化研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)病變始祖細(xì)胞分裂增殖后遷移到腸上皮組織的不同部位并進(jìn)一步發(fā)展為腺瘤和腺癌。

（A）熱圖顯示來自 FAP1 的所有樣品中體細(xì)胞突變的區(qū)域分布。

（B）通過使用簡約算法，從 FAP1 到不同病變階段的系統(tǒng)進(jìn)化樹。

（C）同一細(xì)胞來源的示意圖，表明 FAP1 的所有病灶樣本均來自同一病變細(xì)胞。

（D）在由體細(xì)胞突變構(gòu)建的 FAP1 的系統(tǒng)樹上呈現(xiàn)了克隆或單個 CNA 和 cnLOH。

FAP 上皮細(xì)胞中顯著上調(diào)的基因是 OLFM4，該基因被認(rèn)為腸干細(xì)胞和 CRC 細(xì)胞亞群的標(biāo)記物。另一個上調(diào)基因 ATF3 是一種致癌的抑制轉(zhuǎn)錄因子，可由缺氧誘導(dǎo)產(chǎn)生。對 FAP 上調(diào)基因的 GO 分析顯示，上調(diào)基因在代謝過程中有很強(qiáng)的富集，包括肽生物合成、核苷酸代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝和碳水化合物代謝過程。MKI67 免疫組化染色證實 FAP 患者正常上皮細(xì)胞增殖活性增強(qiáng)。

（A）熱圖顯示 FAP 患者相鄰正常組織的上皮細(xì)胞（30 個差異基因）與散發(fā)性 CRC 患者相鄰正常組織的上皮細(xì)胞（15 個基因）之間的差異。

（B）與 CRC 正常結(jié)腸上皮相比，在 FAP 結(jié)腸上皮中顯示更高表達(dá)水平的基因的基因本體分析。

（C）FAP2 鄰近正常組織和 CRC 患者（非 FAP）鄰近正常組織中 MKI67 的免疫組織化學(xué)染色結(jié)果。

前述證據(jù)已說明來自同一病例的所有腺瘤腺癌樣本均來自同一細(xì)胞，那么這些樣本的轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性情況如何呢。研究人員通過 tSNE 分析，將來自 FAP1 的所有上皮細(xì)胞分為四個簇。簇 1 和簇 2 主要由來自腺瘤 1 的三個區(qū)域（Ade1R1，Ade1R2 和 Ade1R3）和癌的第二區(qū)域（CarR2）的細(xì)胞組成。第三個簇主要由腺瘤 3（Ade3）和癌的第三區(qū)域（Car region3）的細(xì)胞組成。簇 4 主要由癌的一區(qū)域和四區(qū)域（CarR1 和 CarR4）的細(xì)胞組成。ANG，ANPEP 和 FGL1 在簇 2。與來自其他簇的細(xì)胞相比，簇 4 的細(xì)胞顯示出不同的轉(zhuǎn)錄組特征。在簇 4 中特異性表達(dá)的基因在 WNT 信號傳導(dǎo)途徑、細(xì)胞增殖的負(fù)調(diào)控、上皮層的形態(tài)發(fā)生和細(xì)胞連接富集。

利用來自 FAP 患者癌旁組織、低級別腺瘤、高級別腺瘤、以及腺癌的上皮細(xì)胞之間的系統(tǒng)比較探究了腺瘤發(fā)生以及腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)變過程中轉(zhuǎn)錄組的動態(tài)變化。擬時序分析結(jié)果顯示將隨腫瘤發(fā)展呈現(xiàn)動態(tài)變化的基因按照其變化趨勢分為了 4 類。三羧酸循環(huán)相關(guān)的代謝基表達(dá)因在良性腺瘤發(fā)生的早期就開始明顯下調(diào)，反而在從良性腺瘤到惡性腺癌的轉(zhuǎn)變過程中有所回升，但仍然低于癌旁組織中正常上皮細(xì)胞中的水平。這說明三羧酸循環(huán)代謝水平的降低是腫瘤發(fā)生過程中較早期事件之一，可能是治療 FAP 患者的較好的治療靶點通路。

這項研究實屬基因組和轉(zhuǎn)錄組兩大層次的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，利用全基因組重測序和全外測序組合揭示出 FAP 基因組變異圖譜，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序構(gòu)建了首張 FAP 轉(zhuǎn)錄組圖譜。全基因組重測序和全外測序的組合可以得到更加全面的更加全面的 SNV/InDel/CNV 變異信息，全基因組重測序覆蓋全面均一，CNV 檢測準(zhǔn)確；全外測序針對外顯子區(qū)設(shè)計，在相同的通量下測序深度高，有利于 SNV、InDel 的檢測。

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