文献分析 Single-cell transcriptomic analysis in a mouse model deciphers cell transition states in the multistep development of esophageal cancer 小鼠模型中的单细胞转录组学分析破译食管癌多步发展中的细胞过渡状态

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-17492-y#data-availability

 

摘要

食管鳞状细胞癌 (ESCC) 在世界的一些地理区域普遍存在。 ESCC发展呈现出从炎症到侵袭性癌症的多步骤致病过程；然而，这些过程中的关键是什幺以及它们如何演变在很大程度上是未知的，阻碍了早期诊断和有效治疗。在这里，我们创建了一个模仿人类 ESCC 发育的小鼠模型，并构建了一个单细胞 ESCC 发育图谱。我们确定了一组与上皮细胞致癌进化相关的关键过渡特征，并描绘了具有里程碑意义的动态致瘤轨迹。针对初始组织损伤的 CD8 反应的早期下调，伴随着免疫反应从 1 型到 3 型的转变，导致巨噬细胞和中性粒细胞的积累和活化，这可能会产生一种慢性炎症环境，促进致癌物转化的上皮细胞存活和增殖。这些发现揭示了 ESCC 是如何发起和发展的。

 

	Progress	Challenge	Demand
Background	食管鳞状细胞癌 (ESCC)	预后差，死亡率高，主要是由于缺乏早期诊断和有效治疗的具体措施。
	ESCC 代表了癌症发展的非凡范例，其形成顺序从炎症 (INF)、增生 (HYP)、发育异常 (DYS)、原位癌 (CIS) 到浸润癌 (ICA)	然而，迄今为止，ESCC如何启动和发展在很大程度上是未知的。	探索 ESCC 形成的机制和识别生物标志物是癌症早期发现、诊断和精准治疗的关键任务。
	TCGA识别出ESCC基因组范围内的变异	正常上皮细胞如何通过突变通过癌前病变转为浸润性癌，这一点仍未得到解决。 仅体细胞突变可能不足以启动和发育ESCC，因为这种突变也发生在病理正常的人类食管组织中。	ESCC肿瘤发生的转录组畸变可能值得进一步研究。
	此外，已经证明肿瘤微环境（TME）的复杂背景在肿瘤的发生和发展中也具有重要作用。		阐明肿瘤发生过程中TME细胞组成的动态转录组学变化对于发现ESCC如何发展具有重要意义。
	single-cell transcriptomic analysis is a promising approach
		从唯一的患者中捕获连续的致瘤病变以进行此类研究是不可能的，因此，解决这一重要问题将高度依赖于完善的动物模型。
	已经证明化学致癌物4-硝基喹啉1-氧化物（4NQO）可以以模仿人类ESCC致瘤过程的方式诱导小鼠ESCC的发育。
Solve	What	How	Effect
	在由4NQO诱导的小鼠模型中，在ESCC启动和发育期间，对每个致病阶段的各种类型的细胞进行基于单个细胞的转录组学分析研究	我们已经创建了一个完整的图谱，并描述了在致癌物攻击下食管上皮细胞转变的转录组谱，并以整体方法阐明了它们如何随着时间的推移而演变。	我们还描绘了肿瘤发生不同阶段的食管微环境中非上皮细胞（即成纤维细胞和免疫细胞）的转变景观。此外，我们发现小鼠的一些关键变化也发生在人类食管组织样品中。这些结果揭示了动物模型中ESCC致瘤过程中不同细胞类型的表型和过渡命运，并且可能与人类ESCC有关。
Result	实验设计： 8周龄雌性C57BL / 6小鼠用4NQO治疗16周，导致食道中5个可识别的癌前病变和癌变，即INF，HYP，DYS，CIS和ICA 多时间点的单细胞实验 在不同病理阶段共获得66，089个细胞，包括29，975个CD45 +免疫细胞和36，114个CD45−非免疫细胞。 使用t-分布随机邻域包埋（tSNE）鉴定了四组非免疫细胞，包括上皮细胞，成纤维细胞，内皮细胞和肌细胞（epithelial cells, fibroblasts, endothelial cells and myocytes）
	Identifying epithelial cell types during ESCC tumorigenesis 检查了从正常到癌前病变或癌症过渡期间上皮细胞的表达改变和功能变化。 我们在所有六个阶段鉴定了 1756 个上皮细胞，这些细胞被分为六种亚型，称为 EpiC 1 到 EpiC 6 分类和实际对应的关系：
	我们进行了假时间分析和PCA分析，发现了ESCC肿瘤发生过程中食管上皮细胞的两种进化命运，这两种命运都始于伪时间值最低的EpiC 1细胞。一些细胞从增殖性EpiC 1转变为正常分化的EpiC 4，而其他细胞转化为恶性EpiC 6，通过EpiC 2处理到EpiC 5细胞（图3a;补充图3a、b）。EpiC 1到EpiC 6的演化主要沿着组件1。组分1的基因集变异分析（GSVA）显示，与细胞侵袭性，EMT和血管生成相关的基因显着富集（图3b，c;补充图3c），它与EpiC 6细胞的表达进程一致（图2b）。由于EpiC 6细胞仅出现在ICA阶段，这些结果表明组分1可能是食管组织恶性转化的潜在分子机制（补充图.3d）。
	各种细胞在发展过程中都产生了变化
Conclusion& Discussion
Method