大咖谈 | 结直肠癌的分子与微环境演进

导读

结直肠癌（CRC）的进展与一系列累积的突变事件有关。传统的腺瘤-癌演变过程涉及驱动基因APC、KRAS和TP53的改变，导致染色体不稳定（CIN），这是多数结直肠癌发生的分子基础。同时，少数散发性结直肠癌是由BRAF突变和微卫星不稳定（MSI-H）引起。近年，随着单细胞测序技术及多组学研究手段的发展，人类对于肿瘤演进的细胞及分子过程有了更进一步的理解。

来自范德堡大学的研究团队在Cell杂志上发表了多组学解析结直肠癌细胞及分子演进过程的系列研究。首先，在题为Differential pre-malignant programs and microenvironment chart distinct paths to malignancy in human colorectal polyps的研究中，作者通过基于单细胞测序的多组学分析手段，揭示了两种常见的结直肠癌的癌前病变（传统腺瘤和锯齿状息肉）在发生过程中的病理特征及分子过程。通过全外显子测序，作者发现APC突变主要见于传统腺瘤，而BRAFV600E突变则仅发生于锯齿状息肉。之后，作者通过单细胞测序，分别在以上两种癌前病变中鉴定出了腺瘤特异性细胞（ASC）及锯齿状息肉特异性细胞（SSC），通路富集分析提示，ASCs表现出干细胞特征而SSC表现化生相关特征。此外，作者通过免疫组织化学技术分析ASC及SSC的起源部位，发现ASC标志物高表达于肠隐窝底部，提示传统腺瘤的发生特征是自下而上。另一方面。SSC标记物出现在肠隐窝的顶部，提示锯齿状息肉发生的病理特征为自上而下。之后，作者进一步对结直肠癌组织样本进行分析。全外显子分析发现APC、KRAS、TP53突变主要发生于MSS结直肠癌，而BRAF突变多见于MSI-H结直肠癌，信号通路方面，MSS结直肠癌细胞高表达干细胞信号特征，而MSI-H结直肠癌细胞则保留化生相关信号特征，这与其各自的癌前病变特征相符。然而，在MSI-H结直肠癌中，肿瘤细胞与癌前病变相比，化生信号显著抑制而增殖、干性等恶性表型相关信号则显著激活。在MSS结直肠癌中，肿瘤细胞的恶性信号通路较癌前病变相比也出现显著激活。总之，MSS结直肠癌遵循经典的肿瘤发生路径，即正常肠细胞→癌前病变细胞→恶性细胞（APC-KRAS-TP53），癌变主要源于肠隐窝底部干细胞。而MSI-H结直肠癌源于隐窝表层分化细胞去分化并获得干细胞分子特征。

在该团队另一篇题为Molecular cartography uncovers evolutionary and microenvironmental dynamics in sporadic colorectal tumors的研究中，作者基于先前的多组学分析，进一步利用空间转录组学解析了CIN结直肠癌及高频突变（HM）结直肠癌（主要是MSI-H肠癌）的发生过程。其中，作者基于测序数据建立了推测CNV指数这一反应CIN情况的指标，发现癌细胞该指标显著高于癌前病变，同时与TP53突变有关。这说明，结直肠癌的CIN特征并非发生于癌前病变，而是发生于传统腺瘤向腺癌转化的过程中。接下来，作者发现肿瘤内的空间异质性，并提出了肿瘤演进的三种主要模型：线性演进、分支演进及中性演进，作者发现，CIN结直肠癌多表现为中性及分支演进，而HM结直肠癌多表现为线性演进。

由于肿瘤细胞与免疫细胞之间的相互作用对肿瘤进展具有重要影响，因此作者也分析了不同肠癌的微环境演进，在Differential pre-malignant programs and microenvironment chart distinct paths to malignancy in human colorectal polyps的研究中，作者发现锯齿状息肉的免疫状态显著由于传统腺瘤，并揭示干细胞来源结直肠癌表现为免疫抑制，而化生来源的结直肠癌可通过BRAF突变等分子事件驱动CD8+T细胞浸润。在Molecular cartography uncovers evolutionary and microenvironmental dynamics in sporadic colorectal tumors的研究中，作者发现了与免疫排斥相关的基因，包括DDR1, TGFBI，PAK4及DPEP1，并将其定义为免疫排斥标志物（IEX）。进一步分析发现，IEX与免疫抑制及T细胞静止/耗竭状态相关。在CIN肿瘤中，除T细胞外，作者还鉴定出CAF细胞、髓系细胞等参与免疫抑制的细胞。这些发现描绘了肿瘤细胞与微环境共同演进的过程。在病理组学中，作者发现，CIN肠癌的免疫细胞富集于肿瘤边缘，而HM肠癌的免疫细胞则向肿瘤浸润，进一步揭示了两种不同肠癌的免疫微环境状态。

综上，CIN结直肠癌主要源于干细胞，分子演进流程遵循经典APC-（KRAS）-TP53。微卫星不稳定结直肠癌主要源于分化细胞，由“二次打击”导致的化生减少及干性增强产生。结直肠癌可存在多种分子演进模式，不同的演进方式导致肿瘤的空间异质性，同时，分子演进过程中存在肿瘤细胞与微环境的共同演进。其中CIN结直肠癌演进过程中表现出排斥或逃避免疫系统的特征，导致淋巴细胞和其他免疫作用减少。而MSI-H结直肠癌中，浸润的免疫细胞群体则有所增加。