单细胞RNA测序揭示胃癌器官特异性转移的转录异质性

作者及机构
本研究由浙江大学医学院附属第一医院肿瘤内科的Haiping Jiang、浙江大学药学院药物信息学研究所的Dingyi Yu、Penghui Yang等团队共同完成，通讯作者为Xiaohui Fan和Xiaoyan Lu。研究于2022年1月25日发表在期刊《Clinical and Translational Medicine》（DOI: 10.1002/ctm2.730）。

学术背景
胃癌（gastric cancer, GC）是全球第四大常见癌症，也是癌症相关死亡的第二大原因，尤其在亚洲地区负担最重。大多数患者在确诊时已处于晚期或转移阶段，且不同器官转移的生物学特性尚不明确。传统批量RNA测序（bulk RNA-seq）无法解析肿瘤内和肿瘤间的细胞异质性，而单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技术为这一难题提供了新的解决途径。本研究旨在通过scRNA-seq技术，揭示胃癌原发灶及不同器官（肝脏、腹膜、卵巢、淋巴结）转移灶的转录异质性，探索肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）的动态特征，并为精准诊断和治疗提供依据。

研究流程
1. 样本收集与制备
- 研究对象：6名胃癌患者的10份新鲜组织样本，包括3份原发肿瘤（PT）、1份癌旁正常组织（NT）及6份转移灶（肝脏、腹膜、卵巢、淋巴结）。
- 样本处理：通过胃镜、活检或手术切除获取组织，经单细胞悬液制备后，采用10x Genomics平台进行scRNA-seq文库构建。

1. 单细胞数据分析

   • 数据预处理：对42,968个细胞进行质量控制过滤，中位检测基因数为1,639个/细胞。
     
   • 细胞聚类与注释：基于标记基因表达，将细胞分为上皮细胞、间质细胞、增殖细胞、T细胞、B细胞、自然杀伤（NK）细胞和髓系细胞7大类。
     
   • 恶性上皮细胞亚群分析：通过拷贝数变异（CNV）和差异表达基因（DEGs）鉴定恶性与非恶性上皮细胞，进一步将恶性上皮细胞分为4个亚群（G0-G3）。
     

2. 功能与通路分析

   • 使用Ingenuity Pathway Analysis（IPA）分析各亚群的信号通路和生物学功能。
     
   • 通过Monocle 2构建伪时间轨迹，解析恶性上皮细胞的分化状态。
     

3. 免疫微环境解析

   • T/B细胞亚群分析：鉴定出11个T细胞亚群和5个B细胞亚群，包括耗竭性CD8+ T细胞、调节性T细胞（Tregs）和T细胞样B细胞（t cell-like B cells）。
     
   • 髓系细胞分析：将髓系细胞分为树突状细胞（DCs）、巨噬细胞、单核细胞和中性粒细胞，并解析其功能异质性。
     

4. 临床验证与预后分析

   • 利用TCGA-STAD数据集验证恶性上皮亚群特征基因的预后价值。
     
   • 通过独立队列（GSE62254和GSE84437）验证淋巴结转移相关基因标签的预测能力。
     

主要结果
1. 恶性上皮细胞的异质性
- G0亚群：高表达血管生成（如VEGFA）和侵袭相关基因（如ICAM-1），与原发灶和多数转移灶相关。
- G1亚群：富集于腹膜和卵巢转移，特征为上皮-间质转化（EMT）和迁移相关基因（如AREG）。
- G3亚群：具有干细胞样表型（高表达CD44、SOX2），与肿瘤恶性进展相关。生存分析显示，G0/G1/G3特征基因高表达患者预后较差。

1. 免疫微环境的促瘤与抑制特征

   • 耗竭性CD8+ T细胞和Tregs在转移灶中显著富集，提示免疫抑制性微环境。
     
   • 黏膜相关恒定T细胞（MAIT cells）在转移灶中失去细胞毒性功能，可能促进免疫逃逸。
     
   • T细胞样B细胞在转移灶中比例升高，可能与免疫抑制相关。
     

2. 淋巴结转移的预测标志物

   • 从淋巴结转移灶中鉴定出20个耗竭性CD8+ T细胞特征基因（如LAG3、TIGIT），在独立队列中验证其预测淋巴结转移的能力（p < 0.05），且高表达患者生存期更短。
     

3. 治疗靶点发现

   • HLA-E-KLRC1/KLRC2信号通路在肿瘤细胞、内皮细胞和免疫细胞中广泛激活，提示抗NKG2A（KLRC1）抗体可能是潜在治疗策略。体外实验证实，阻断NKG2A可显著提升IFN-γ分泌。
     

结论与意义
本研究首次在单细胞分辨率下解析了胃癌原发灶和器官特异性转移灶的转录异质性，揭示了恶性上皮细胞亚群、免疫微环境动态变化和关键信号通路的相互作用。科学价值在于：
1. 为胃癌转移的器官特异性机制提供了新见解；
2. 鉴定了预测淋巴结转移的基因标签和潜在治疗靶点（如HLA-E-KLRC1）；
3. 提出PD-1在CD8+ T细胞的表达或可预测免疫治疗响应，优于传统CPS评分。

研究亮点
1. 技术创新：整合scRNA-seq、CNV分析和伪时间轨迹，全面解析胃癌异质性。
2. 临床转化价值：20基因标签和NKG2A靶点为精准诊断和治疗提供新策略。
3. 跨学科意义：结合肿瘤生物学、免疫学和生物信息学，推动胃癌研究的多维度发展。

其他有价值内容
研究发现了一种新型Paneth样中性粒细胞亚群（高表达LYZ），可能参与肿瘤免疫调节，为后续功能研究提供了方向。