文献解读｜单细胞和空间转录组解析人类乳腺癌图谱
期刊：Nat Genet（IF=41.307）
技术：scRNA-seq、空转
导语
乳腺癌是复杂的细胞生态系统，其中异型相互作用在疾病进展和对治疗的反应中起着核心作用。对它们的细胞组成和组织的了解仍然有限。对人类乳腺癌的单细胞和空间分辨转录组学分析，并开发了一种内在亚型分类(scSubtype)的单细胞方法来揭示复发性肿瘤细胞的异质性。
使用CITE-Seq进行免疫分型可提供高分辨率的免疫图谱，包括与临床结果相关的新型PD-L1/PD-L2+巨噬细胞群。利用单细胞特征，将其分层为9个簇，称为“生态型”，具有独特的细胞组成和临床结果。这项研究提供了乳腺癌细胞结构的全面转录图谱。
研究结果
1. 人类乳腺癌的高分辨率细胞图
对26个原发性治疗前肿瘤（11个ER+，5个HER2+和10个TNBC）进行scRNA-Seq。总共有130,246个细胞通过了质控，对这些细胞进行了聚类和注释。主要的细胞类型在所有肿瘤和临床亚型中都有体现。UMAP显示上皮细胞被肿瘤清晰分离，这些细胞被鉴定为正常的乳腺上皮细胞，而肿瘤间质和免疫细胞聚集在一起。由于乳腺癌在很大程度上是由DNA拷贝数变化驱动的，我们使用InferCNV来区分肿瘤和正常上皮细胞。在肿瘤人群中，观察到大量的大规模基因组重排，这揭示了患者特有的拷贝数变化和乳腺癌中常见的拷贝数变化。
2. scSubtype：scRNA-Seq数据的内在子类型
使用1,100个乳腺肿瘤的TCGA数据集对伪散装样本进行分层聚类。最终确定4组基因，这些基因将定义单细胞衍生的分子亚型。
scSubtype结果显示，13/20的样本中有不到90%的肿瘤细胞属于一种分子亚型，而只有一种肿瘤(CID3921;HER2E)表现为完全同质的分子亚型。在一些管腔和HER2E肿瘤中，scSubtype预测了少量基底样细胞，在2例ER+病例中通过免疫组化验证了这一点，在其他ER+肿瘤细胞中，ER阴性，基底细胞标志物细胞CK5阳性的形态学恶性细胞呈小袋状。基因集富集确定了这些转基因基因共享和不同的功能特征，这与临床IHC结果一致。
3. 复发基因模块驱动肿瘤细胞异质性
对至少50个肿瘤细胞进行整合聚类，生成574个ITTH基因标记，并识别出七个群体，即“基因模块”（GMs）。基因集富集鉴定出这些GMs共有的和独特的功能特征。对于每个肿瘤细胞，计算了7个GMs的特征评分，并使用层次聚类来识别细胞相关性。这清楚的将肿瘤细胞进行了分组，减少了巨大肿瘤间变异性。一些模块与SCSubtype相关联，而其他模块则显示了更多样化的子类型关联。最后，使用基于GM的细胞状态分配来了解肿瘤细胞的瘤内异质性。类似于SCSubtype，看到了与肿瘤亚型广泛一致但不受肿瘤亚型限制的细胞异质性证据。scSubtype和GM分析为肿瘤性ITTH的分类提供了互补的新方法，并进一步证明大多数肿瘤中癌细胞表现出不同的表型。
4. 淋巴细胞和先天淋巴细胞
从患者中鉴定出了8个T细胞和先天淋巴细胞簇。在TNBC样本中，IFITl/c6、LAG3/c8 和MKI67/C11的T细胞比例更高。在TNBC中CD8亚群显著表达PD-1、LAG3、CD27和CD70配受体，可增强T细胞的细胞毒性。在不同的临床亚型中，检查点分子表达的差异更为明显，包括在非免疫细胞(如CAFs)上。这些数据提供了对每种亚型疾病最适合的免疫治疗策略的见解。
5. 髓系细胞
髓系细胞共聚类成13个cluster，可在所有肿瘤中以不同频率被识别。单核细胞形成3个cluster，巨噬细胞形成6个cluster，其中一个簇具有先前“M1-like”表型相关的特征，还有两个簇类似于“M2-like”表型，所有这些cluster都与之前在乳腺癌中描述的TAMs有一些相似之处。这些细胞与最近报道的脂质相关巨噬细胞(LAMs)在肥胖小鼠和人类中扩增的转录组相似性非常高。虽然RNA编码PD-L1和PD-L2在Mac:CXCL10和DCLAMP3髓系细胞中高度共表达，但CITE-seq 数据的分析显示，PD-L1和 PD-L2蛋白表达在Mac:CXCL10、LAM1:FABP5、LAM2:AP0E和DC:LAMP3簇中分布更广，突出LAM1/2作为免疫调节分子的重要来源。
6. 基质亚类表现出不同的分化状态
在间质室中共发现了三种主要的细胞类型（CAFs、PVL和内皮细胞）。拟时序分析揭示了五种CAF状态；PVL细胞分出了三种类型；内皮细胞也被分成了三种类型。相似的CAF、PVL和内皮细胞状态在临床亚型和三个正常乳腺组织样本中被发现，这表明它们可能是在TME中进行重塑的驻留细胞类型。
7. 乳腺癌异质性的空间映射
对6个样本（2个ER+和4个TNBC）进行了空间转录组分析，并将其与scRNA-seq数据进行了匹配分析。对所有癌症位置基因模块计算了得分之间的Pearson相关性。这揭示了在所有6个病例中大多数保守的两个主要群集，包括GM1、GM3、GM5和GM6在一个群集中，GM2和GM4在另一个群集中，GM3 (EMT, IFN, MHC)和GM4(增殖)在所有样本中都表现出很强的负相关，这表明这些不同的癌症表型发生在乳腺癌相互排斥的区域。
8. 映射新的异型细胞相互作用
在6例病患中发现5例肌成纤维细胞样CAFs和iCAFs 之间存在中度负相关性。CAF定位在7个HER2+乳腺肿瘤的独立空间转录组数据是一致的，表明这种关系在不同的临床亚型中是保守的。在两项研究中，iCAFs均与多个淋巴细胞群体共定位。在6个样本中，肌成纤维细胞样CAFs与CD8+T细胞相关，揭示与高TIL浸润或免疫炎症表型的浸润性乳腺癌的功能相关。巨噬细胞的LAM1和LAM2细胞均存在于浸润性肿瘤区域；然而，LAM2也存在于高基质细胞、脂肪细胞和淋巴细胞的形态学区域。在所有三个亚型的8个肿瘤中，LAM2细胞与CD4+和CD8 + T细胞正相关。多个肿瘤的LAM2细胞和CD4+/CD8+T细胞富集的spots共同表达PD-L1/PD-1和PD-L2/PD-1，表明这些细胞可能具有免疫调节的功能相关性。
8. 乳腺癌生态型与患者生存相关
9个细胞组成相似的肿瘤簇与肿瘤亚型、sc亚型细胞和主要细胞类型的多样性相关。Ecotype 3（E3）在含有Basal_SC等细胞和基底样PAM50亚型的肿瘤中富集。El、E5、E6、E8和E9主要由管腔细胞组成。E4对与抗肿瘤免疫相关的免疫细胞高度富集。E2 主要由 LumA 和正常样肿瘤组成。
在预后方面，E2肿瘤患者预后最好，E3肿瘤患者5年生存率较差，这与已知的基底样和高增殖肿瘤的不良预后相一致。E7预后也较差，以HER2E肿瘤为主；E4 也有相当大的比例HER2E和基底样肿瘤，但这些患者的预后明显好于E7，可能是抗肿瘤免疫细胞浸润的结果。通过对整合基因组群与生态型之间的关联性进行研究，发现E3中来自整合基因组群10的癌症比例很高，5年生存率同样很低。E7有很高比例的ERBB2扩增和HER2E整合基因组簇5。然而大多数生态型与特定的整合基因组簇或PAM50亚型没有明确的关联，这反映了基质细胞和免疫细胞在生态型中的作用。
参考文章：
Wu SZ, Al-Eryani G, Roden DL, Junankar S, Harvey K, Andersson A, Thennavan A, Wang C, Torpy JR, Bartonicek N, Wang T, Larsson L, Kaczorowski D, Weisenfeld NI, Uytingco CR, Chew JG, Bent ZW, Chan CL, Gnanasambandapillai V, Dutertre CA, Gluch L, Hui MN, Beith J, Parker A, Robbins E, Segara D, Cooper C, Mak C, Chan B, Warrier S, Ginhoux F, Millar E, Powell JE, Williams SR, Liu XS, O'Toole S, Lim E, Lundeberg J, Perou CM, Swarbrick A. A single-cell and spatially resolved atlas of human breast cancers. Nat Genet. 2021 Sep;53(9):1334-1347. doi: 10.1038/s41588-021-00911-1. Epub 2021 Sep 6. PMID: 34493872; PMCID: PMC9044823.
