FOXJ1

引言 经典有丝分裂是细胞周期中的重要过程，包括DNA 复制、中心粒复制和细胞分裂的协调【1】。一些哺乳动物细胞能够通过细胞周期变体（如核内周期）绕过有丝分裂【2】。在哺乳动物气道、脑室和生殖道中存在多纤毛细胞，它们在有丝分裂后会形成数百个中心粒，中心粒进一步成熟为基底体，生成可运动的纤毛【3】。研究显示，一些细胞周期调节因子与多纤毛细胞分化的特定步骤密切相关。 近日，来自美国加州大学旧金山分校的Jeremy F. Reite与Semil P. Choksi共同在Nature期刊发表题为An alternative cell cycle coordinates multiciliated cell differentiation（一种细胞周期协调的多纤毛细胞分化）的文章。研究发现多纤毛细胞采用一种新的细胞周期，称为多纤毛细胞周期，来调控其分化过程。这种细胞周期能够调整经典细胞周期调节因子的功能，并对DNA复制等进程产生影响。 多纤毛细胞通过特定的细胞周期步骤，从前体细胞分化而来，形成能够推动流体的运动纤毛【4】。它们的分化涉及到转录因子的调节和特殊的细胞器生成过程，突破了传统中心粒合成的限制。此外，与经典细胞周期相关的调节因子也参与了多纤毛细胞的分化，表明一种特殊的细胞周期程序可能参与多纤毛细胞的发育【5】。 多纤毛细胞周期的基因表达 首先，研究人员通过对小鼠气管上皮细胞进行单细胞RNA测序，描绘了多纤毛细胞分化过程中的转录变化。他们发现，多纤毛细胞分化过程包括从基底干细胞到中间细胞再到成熟的多纤毛细胞的轨迹，并且不同分化阶段的细胞表达了与经典细胞周期相关的基因。尽管多纤毛细胞是有丝分裂后的细胞，但它们在分化过程中仍表现出细胞周期样的转录特征。随后，研究人员探究了细胞周期样转录程序在蛋白水平上的变化。结果显示，在不同分化阶段的多纤毛细胞中，可以观察到多种细胞周期调节蛋白的动态表达和定位，暗示这些蛋白可能调控多纤毛细胞的分化。利用细胞周期指示器，研究人员观察到多纤毛细胞的荧光信号在分化过程中表现出动态变化，与不同细胞周期阶段的荧光信号变化一致。这些数据表明，多纤毛细胞在有丝分裂后的分化过程中表现出细胞周期样的特征，但它们并没有进行增殖，研究人员将这种细胞周期样过程称为多纤毛细胞分化周期。据此，他们提出了一个假设，即多纤毛细胞利用调整后的细胞周期不是为了产生子细胞，而是为了调节自身的分化过程。之后，研究人员测试了细胞周期调节蛋白CCND1和CDK4/6在多纤毛细胞分化中的功能。他们发现，CCND1和CDK4/6在多纤毛细胞前体中表达，并且在多纤毛细胞分化过程中起着关键作用。CDK4/6活性促进了早期多纤毛细胞转录因子MYB和FOXJ1的表达。抑制CDK4/6活性会阻断中心粒合成和纤毛生成，这些都是多纤毛细胞分化所必需的过程。进一步的研究显示，CDK4/6抑制减少了多纤毛细胞的分化，同时也改变了中间细胞的基因表达，说明CDK4/6活性是启动多纤毛细胞分化所必需的。此外，研究还证明CDK4/6活性推动细胞从G1/G0样期向S样期的多纤毛周期进展，进而启动多纤毛细胞的特异基因表达和分化。 E2F7调节多纤毛细胞周期 为了区分多纤毛细胞周期的特征，研究人员比较了多纤毛细胞和增殖干细胞的表达谱。他们发现，在多纤毛周期中，许多细胞周期基因的表达被抑制，特别是与DNA复制调节有关的S期基因表达水平较低。此外，研究人员还鉴定了多纤毛周期中表达水平较高的潜在调节因子，包括调节中心粒合成的基因和一些多纤毛细胞周期调节因子。其中，E2F7转录因子在多纤毛周期中扮演重要角色，有助于终止多纤毛周期的S样阶段，并推动细胞从S期向G2期的转变。通过E2f7突变小鼠实验，研究人员发现E2f7基因缺失导致多纤毛细胞中DNA复制相关基因的上调，并增加了DNA合成的程度。机制研究表明，E2F7在多纤毛周期S样阶段直接抑制DNA复制相关基因的表达，其结合位点位于编码DNA复制机器的基因附近。与经典细胞周期相比，E2F7限制了G1和S期基因的表达。研究还发现，在E2f7缺失的多纤毛细胞中，S期和G2/M期基因表达出现了重叠，表明E2F7有助于促进多纤毛周期中S期向G2/M期的转变。进一步的研究表明，E2f7缺失会导致小鼠脑积水和多纤毛细胞的发育缺陷。研究人员发现，E2f7对多纤毛细胞的成熟至关重要，它的缺失导致多纤毛细胞分化周期失调。具体来说，E2f7缺失会阻碍多纤毛细胞分化过程中特定步骤的完成，例如CCP110的去除和DEUP1的解离，进而影响后续的中心粒成熟和纤毛生成。透射电子显微镜观察结果显示，E2F7缺失的多纤毛细胞中存在中心粒的连接缺陷和纤毛生成减少。总之，研究结果表明E2f7在多纤毛细胞分化过程中发挥着重要作用，它调控分化周期的顺利进行，进而影响多纤毛细胞的正常发育和功能。 综上所述，该研究报道了一种特殊的细胞周期——多纤毛细胞周期，它通过影响中心粒合成和DNA复制来调控多纤毛细胞的分化。作为这个周期中的重要调控因子，E2F7缺失会影响中心粒的成熟和纤毛的形成，导致多纤毛细胞发育异常。 模式图（Credit: Nature） 参考文献 1. Morgan, D. O. The Cell Cycle: Principles of Control (New Science Press, 2007). 2. Orr-Weaver, T. L. When bigger is better: the role of polyploidy in organogenesis. Trends Genet. 31, 307-315 (2015). 3. Spassky, N. & Meunier, A. The development and functions of multiciliated epithelia. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 423-436 (2017). 4. Mahjoub, M. R., Nanjundappa, R. & Harvey, M. N. Development of a multiciliated cell. Curr. Opin. Cell Biol. 77, 102105 (2022). 5. Al Jord, A. et al. Calibrated mitotic oscillator drives motile ciliogenesis. Science 358, 803-806 (2017). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41586-024-07476-z 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769文章来源：天津医药专题主编陈怀永，天津大学海河医院研究员，博士生导师，天津市肺脏再生医学重点实验室主任，中国科学院生物物理研究所博士毕业，美国杜克大学博士后。现利用类器官、疾病动物模型、临床样本和干细胞治疗手段探讨肺脏干细胞功能改变与支气管哮喘、肺纤维化和呼吸道感染发生发展的关系。主持参与国家/省部级科研项目19项，发表论文70余篇，其中SCI收录50余篇，国家授权发明专利2项，天津市科技进步二等奖2项。学术兼职：天津市医学会呼吸病学分会常委中华医学会结核病学分会基础学组委员天津市救援医学学会呼吸急救分会委员天津市医学会结核病学分会委员天津医学会罕见病分会委员《天津医药》编委编者按类器官与器官芯片作为近年来兴起的一种新型强大研究手段，在实现干细胞体外增殖与分化、模拟器官内细胞间互作方式、重现来源脏器形态学特征与功能、优化精准药物筛选方案和建立罕见病个体化治疗等方面发挥重要作用，已引起国内外研究人员、临床工作者和药物研发公司的广泛关注。目前已应用于包括肺、脑、肠在内的多种脏器的病理生理学研究与转化医学研究。未来结合工程学、基因编辑等手段进行类器官与器官芯片个性化、大规模、均质化、标准化和自动化的完善与优化将给个体化医学带来深远影响。我受《天津医药》编辑部邀约，特组织国内类器官与器官芯片研究领域的知名专家共同就肺、 脑和肠这 3种研究进展最快的类器官与器官芯片的构建及其在炎症反应、病毒感染、抗肿瘤药物筛选和罕见病等方面的应用进行阐述，并对目前关于该技术待解决的关键问题进行深入讨论。本专题旨在加深各学科基础研究、临床和药物研发同道对类器官与器官芯片的认识，共同推动该技术的深入应用，为疾病机制研究、临床诊断与目标药物发现提效增速。由于篇幅限制， 本专题未涉及包括肝、肾、胃和胰腺等其他脏器的类器官与器官芯片的研究进展， 但是这方面的研究同样值得关注。最后，本人对参与和支持本专题工作的全体作者和编审专家所付出的辛勤工作表示由衷感谢！01高通量自动化类器官芯片研究进展孟繁露， 韩益明， 修继冬， 黄建永作者单位：北京大学工学院摘要：类器官是利用干细胞的自更新和自组织能力在体外构建的三维多细胞培养物， 其复现了对应器官或组织的关键结构和功能特征， 为发育生物学、 再生医学、 疾病建模和药物开发等领域提供了理想的体外模型和研究平台。然而， 传统的类器官培养体系依赖于手动操作， 培养流程较为繁琐，且培养物个体差异和批次差异较大， 成为限制类器官转化和应用的重要原因之一。因此， 工程化类器官培养体系通过引入微流控芯片技术来提升类器官培养体系的通量和自动化程度， 对于实现类器官大规模、 均质化、 标准化培养具有重要意义。该文综述了高通量自动化类器官芯片的研究进展， 并探讨了类器官培养通量和标准化的主要限制性因素和潜在挑战。02气道类器官显微注射及极性反转模型的构建宋立成1，张宇涵2，余忠阔1，解立新1作者单位：1中国人民解放军总医院第八医学中心呼吸与危重症医学部；2上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科摘要：目的　探索通过显微注射及极性反转的方式建立高效模拟呼吸道病毒感染的新方法。方法 获取8周龄雄性C57BL/6小鼠肺组织，提取呼吸道上皮细胞，建立类器官transwell培养模型。通过改进传统显微注射平台，将绿色荧光蛋白（GFP）标记的流感病毒 PR8（GFP-PR8）定量注射入类器官内，观察类器官形态变化及紧密连接蛋白、微管蛋白的免疫荧光染色特点。通过悬浮培养的方法诱导极性内向反转为极性外向（AO），通过HE染色鉴定极性反转的形态学特点。对普通类器官及反转后类器官进行 PR8攻毒，观察感染效率及不同浓度的病毒感染下主要通路基因的表达差异。结果 普通类器官经显微注射后体积会明显增大。注射 PR8后，类器官顶端区域被感染的效率明显增高且会出现明显的损伤，表现为紧密连接蛋白及微管蛋白的蛋白表达显著下调。将类器官悬浮培养后，纤毛细胞极性随时间逐渐反转向外，于第6天起反转比例趋于稳定。反转后的类器官被病毒感染的效率显著提高，细胞损伤显著。0.01感染复数（MOI）的PR8攻毒后，AO类器官出现明显的炎症通路及分化相关基因的改变；在更高浓度PR8感染后则出现与之前相反的变化趋势。结论　极性反转和显微注射可以显著提高流感病毒对类器官的感染效率，这有助于类器官在呼吸道感染领域的广泛应用。03气道类器官研究哮喘中 Lkb1调控上皮再生的机制徐桂颖1, 李玉2,3, 李雪2,3, 刘怡萌1, 陈怀永1,2,3作者单位：1天津医科大学海河临床学院；2天津大学海河医院；3天津市呼吸疾病研究所摘要：目的 通过气道类器官培养研究哮喘中肝激酶B1（Lkb1）调控上皮再生的机制。方法 取Lkb1f/f（对照组，10只）和Scgb1a1CreER;Lkb1f/f小鼠（Lkb1敲除组，9只），采用雾化吸入鸡卵清蛋白（OVA）的方法建立过敏性哮喘模型，收集支气管肺泡灌洗液（BALF）和肺组织，统计BALF中炎性细胞数量，肺组织切片免疫荧光染色比较钙激活氯离子通道蛋白3（CLCA3）阳性细胞数量。通过流式细胞术分选出Club细胞进行类器官培养，统计类器官的平均直径和类器官形成率，回收细胞通过实时荧光定量PCR（RT-PCR）技术检测高脚杯细胞标志物CLCA3、纤毛细胞标志物叉头框蛋白J1（FOXJ1）和Club细胞中腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的表达水平。结果 与对照组相比，Lkb1敲除组BALF中巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和淋巴细胞数量变化差异无统计学意义；Lkb1敲除后CLCA3阳性细胞数量减少；类器官培养结果显示敲除Lkb1后Club细胞来源的类器官平均直径减小，类器官形成率降低，纤毛细胞分化标志物FOXJ1 mRNA表达水平降低，缺失Lkb1后Club细胞表达AMPKα水平降低，且Club细胞增殖受到抑制，激活Lkb1的下游信号通路AMPK可以减弱Lkb1缺失对Club细胞再生功能的影响。结论　Lkb1通过AMPK通路促进气道祖细胞增殖。04小鼠小肠类器官炎症模型的构建陈浩1,2, 李蕊1, 易菲1, 周丽3, 陈嘉琪4, 朱璠4, 管城艳4, 吴娜4,5作者单位：1江西中医药大学药学院；2江西中医药大学附属医院药学部；3江西中医药大学计算机学院，4临床医学院；5江西中医药大学附属医院消化一科摘要：目的 建立体外小肠类器官培养体系，探讨脂多糖（LPS）对小肠类器官生长和炎性因子分泌的影响。方法 体外无菌分离并收集C57BL/6小鼠小肠隐窝细胞团，使用类器官基质胶进行包埋，并在完全培养基的支撑下，培养形成具有小肠上皮样结构的立体多叶结构的小肠类器官。小肠类器官培养5~7 d或类器官中央区域变黑时传代，传代后3 d将小肠类器官随机分为不同质量浓度LPS组（0、150、175、200、225、250、275、300 mg/L）。在LPS诱导24 h和48 h后观察小肠类器官生长和形态特征变化；用CCK-8法检测不同时间和质量浓度LPS对小肠类器官诱导炎症后增殖活力的影响；采用酶联免疫吸附试验检测4种不同质量浓度LPS（0、175、200、225 mg/L）在不同时间对类器官培养上清液中粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、白细胞介素（IL）-1α、IL-6、IL-10水平的影响。结果 初步构建了小鼠小肠类器官培养体系。不同时间和质量浓度LPS作用小肠类器官诱导炎症后，通过形态学观察到小肠类器官会有不同程度的膨胀和内腔凋亡现象的发生，受损的肠上皮中隐窝或肠干细胞的增殖分化和出芽数量也受到不同程度的抑制。小肠类器官在175~225 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，其增殖活力呈现不同程度的降低（P<0.05），但细胞活力仍大于50%。200 mg/L和225 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，IL-1α、IL-6和GM-CSF水平部分升高（P<0.05）；200 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，IL-10水平降低（P<0.05）。结论 本研究初步构建了不同质量浓度和时间的LPS诱导小肠类器官体外肠道炎症损伤模型，为今后肠道疾病的机制研究和有效药物的筛选提供了更为可靠的研究平台。05微乳头型肺腺癌类器官的构建及其靶向药物的筛选姜忠敏1,2, 张春艳2,3,4, 刘敏1,2, 郑洁1,2, 李艳霞2,4, 仁青措4,5, 孟纬4,6, 刘晓智2,4作者单位：1天津市第五中心医院病理科；2天津市早产儿器官发育表观遗传重点实验室；3天津市第五中心医院普通外科；4青海黄南藏族自治州人民医院高原特色医学研究所，5传染科，6骨科摘要：目的 建立微乳头型肺腺癌类器官的培养方法，并开展靶向药物的筛选。方法 自确诊为微乳头型肺腺癌患者手术组织样本中提取和培养原代肺癌类器官，动态观察和记录肺癌类器官生长情况；苏木精-伊红（HE）染色法及免疫组化染色法比较肺癌类器官与亲本组织间肿瘤细胞形态及蛋白表达特征；实时荧光定量聚核酶链反应检测肺癌亲本组织和类器官中基因突变情况；基于基因检测结果挑选靶向药物并验证其体外抑瘤效果。结果 成功从微乳头型肺腺癌组织中培养出类球形肿瘤类器官，可传代至少3代。HE染色结果可见类器官中肿瘤细胞形态与亲本组织细胞基本一致；免疫组化染色结果显示肺癌类器官与亲本组织中各基因的蛋白表达水平大致相同；基因突变分析结果显示，肺癌亲本组织和类器官的突变基因结果一致，均体现为原癌基因酪氨酸蛋白激酶受体Ret（RET）融合突变。基于肺癌类器官的靶向药物筛选结果显示，凡德他尼的体外抑瘤效果最佳。结论 基于微乳头型肺腺癌类器官的药筛实验可在短时间内筛选出高效靶向药物，可使微乳头型肺腺癌患者从中获益。06类器官在癌症基础研究和临床转化中的应用司吴雪蓉，蒋明作者单位：浙江大学医学院第四附属医院遗传医学中心；浙江大学国际医学院遗传学研究所；浙江大学医学院和国家临床儿童医学中心消化科；浙江省遗传缺陷与发育障碍研究重点实验室摘要：类器官是成体干细胞或多能干细胞体外三维培养形成具有特定结构的组织类似物，与对应的器官具有高度相似的组织特性和生理功能。肿瘤类器官能够很好地保留癌症患者体内肿瘤的组织学和突变特征，在构建肿瘤类器官样本库、重建肿瘤微环境、研究肿瘤的发生发展机制以及制定个性化治疗方案和药物筛选等方面发挥了重要的作用，但目前仍存在着一些因素限制了肿瘤类器官的进一步发展。综述类器官技术在肿瘤基础研究和临床转化中的应用及面临的挑战，并对未来肿瘤类器官的发展方向予以展望。07类器官在儿童遗传性疾病中的应用研究进展雷敏1,2,3, 蔡春泉1,3,4作者单位：1天津市儿童医院/天津大学儿童医院；2天津大学医学院；3天津市儿科研究所；4天津市儿童缺陷防治重点实验室摘要：类器官是高度保留其来源组织器官特性的体外3D组织培养物，在生物医学领域得到了广泛的应用。类器官可以作为研究疾病的体外模型，有助于进一步了解疾病的病理生理和分子机制，为遗传性疾病的个性化治疗提供了技术支撑。该文将围绕类器官技术在儿童遗传性疾病中的应用，着重介绍其在模拟疾病模型、矫正遗传缺陷、个性化治疗方面的优势及潜在的发展前景，以期为后续研究提供参考。08脑类器官技术及在脑卒中治疗中的应用进展孙可心1, 肖雨倩1, 万俊1, 陈淑颖1, 陈丽敏1, 王岩2, 白艳杰2作者单位：1河南中医药大学；2河南中医药大学第一附属医院摘要：脑类器官是一种由胚胎干细胞（ESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）诱导产生的三维神经培养物，能够模拟人脑的结构和功能。随着脑类器官培养技术的不断优化，并与器官移植、基因编辑和类器官芯片等新兴技术相结合，产生了功能性血管结构和神经回路等复杂脑组织结构，为研究人类大脑发育和疾病提供了新方法、新思路。就脑类器官技术的最新进展进行综述，阐述了其在神经系统疾病中的应用，以及在脑卒中建模和移植治疗中的进展。END深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769

癌症是一种动态的疾病 癌症是一种动态的疾病。 随着肿瘤进展，癌细胞也在进化，进而产生肿瘤异质性，即癌细胞形成多种多样的亚克隆。 导致肿瘤异质性的原因包括癌细胞内的基因组差异，转录组的差异，表观遗传修饰的差异，以及癌细胞与肿瘤微环境（TME）中不同组分相互作用，导致癌细胞中信号通路的变化。就是这些因素的差异，导致癌细胞的状态或表型发生变化。 近年来，肿瘤异质性越来越被认为是肿瘤进展、复发、转移和治疗失败的主要因素。 目前，肿瘤异质性的研究主要集中在转录组异质性，而且大多以单个癌种为研究对象。由于几乎所有的癌症类型都存在肿瘤异质性，因此通过比较不同的癌种来寻找肿瘤异质性的共同点，或许可以帮助我们找到癌症进化的共同特征。 近日，由纽约大学朗格尼医学中心Itai Yanai领衔的研究团队，在著名期刊《自然·遗传学》上发表重要研究成果[1]。 他们对15种癌症类型展开了泛癌种的单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析，并定义了一系列的基因模块，包括“应激反应”，“干扰素反应”，“上皮细胞间质化”，“金属反应”，“基底”和“纤毛”等。这些模块基因的整体表达可以用来定义癌细胞的状态，而且这种定义方法在多个癌种中可以广泛适用。 其次，他们还展开了空间转录组学的分析，发现癌细胞的“干扰素反应”模块的表达与TME中T细胞和巨噬细胞的丰度和分布相关。而且，癌细胞“干扰素反应”模块的表达因肿瘤位置而异，并且一旦消除淋巴细胞，“干扰素反应”模块的表达就会减弱。 总的来说，这项研究为理解不同状态的癌细胞如何与肿瘤微环境相互作用，以形成免疫逃逸，并发生耐药、转移和复发的机制提供了重要基础。 论文首页截图 接下来我们就一起来看看这项研究是如何展开的。 为了探明不同癌种的异质性是否有相似之处，研究人员研究了包括乳腺癌（BRCA），肝癌（LIHC），结肠癌（COAD）和肺腺癌（LUAD）在内的15个癌症类型【卵巢癌（OVCA），子宫内膜癌（UCEC），前列腺癌（PRAD），肾癌（KIRC），胰腺癌（PDAC），胃肠道间质瘤（GIST），胆管癌（CHCA），头颈部鳞状细胞癌（HNSC），皮肤鳞状细胞癌（SKSC），多形性胶质母细胞瘤（GBM）和少突神经胶质瘤（OGD）】。 根据scRNA-seq数据，研究人员定义了一系列在多个癌种中共享的基因模块，包括“细胞周期”，“应激反应”，“干扰素反应”，“上皮细胞间质化”等16个模块。每个模块由9到297个协同表达的基因组成。 基因模块，其示例基因和预测的调控因子 研究人员发现，其中一些模块的表达具有器官系统特异性（例如大脑和女性生殖器官），而另一些模块则广泛的表达在多种不同器官系统的癌症中。 同时，研究人员还发现，绝大多数模块在来自相应器官的正常上皮细胞中也有表达，但表达程度较低。这表明这些模块并不是在癌症中新产生的，而是原本存在于正常组织中，是在正常组织癌变过程中逐渐被选择出来，并在癌症中呈现出更多样化的表达。 首先，绝大多数癌种中共有的基因模块包括“细胞周期”（包括TOP2A，PCNA基因等），“应激反应”（包括JUN，FOS，HSPA1B等），“干扰素反应”（包括典型的干扰素刺激基因STAT1和IFIT1等，以及抗原呈递基因MHC I和MHC II等），“缺氧”（包括VEGF，ADM等）和“氧化磷酸化”（包括ATP5H，LAMTOR2等）模块。 有一些模块具有组织和细胞来源特异性，例如，在肺癌中特有的“肺泡模块”（包括AGER，CAV1等），以及在OVCA，UCEC，LUAD，GBM中特有的“纤毛相关基因模块”（包括FOXJ1，PIFO等）。这个“纤毛相关基因模块”在正常输卵管和肺上皮组织中也存在，这表明其在癌症中的差异表达反映了起源组织的异质性。其他具有细胞来源特异性的模块包括“基底细胞”（包括KRT5，KRT15等），“鳞状细胞”（包括KLK10，LY6D等）和“腺体”（包括CLU，MUC5B等）模块。 还有两个模块与上皮细胞间质化（EMT）有关。其中一个是“完全间质”模块（cEMT，包括COL1A1，FN1等），另一个是“部分间质”模块（pEMT，包括LAMC2，VIM等）。pEMT在HNSC，SKSC和GBM中都存在。这表明不同谱系的细胞在转化为癌症后都产生了这一特性。而cEMT则存在于PDAC，CHCA，LUAD和GBM中。研究人员推断，上皮细胞的这两种间质分化程度可能与其迁移和耐药性相关。 此外，研究人员定义了三个神经系统癌症特有的模块：“星形胶质细胞样”（包括APOE，ALDOC等），“少突胶质祖细胞样”（包括OLIG1，OLIG2等）和“神经祖细胞样”（包括DLX1，DLX5等）模块。 接下来，研究人员利用这些基因模块来定义癌细胞的状态。他们采用的方法是，在每个癌细胞中，对每个模块的表达进行评分。 他们首先利用每个模块的分数来对所有癌种的癌细胞进行聚类分析，然后用每个癌细胞中表达最高的模块对细胞进行注释。他们发现，以模块分数为参考而形成的聚类中，癌细胞不再按照患者个体或癌症类型来聚集，而是按照其最高表达的模块来形成聚类。这表明，这些模块具有泛癌种性。其次，他们发现，有些模块基因会同时表达（比如pEMT，“应激反应”和“干扰素反应”模块），这表明，癌细胞的状态是由多个模块的表达决定的。 癌细胞按照其最高表达的模块形成聚类，而非癌症类型 由于一些模块也在正常组织中表达，于是研究人员比较了正常组织和癌组织中模块表达水平的差异。 pEMT模块在癌细胞中的表达频率都高于正常细胞，这与肿瘤进展过程中经常发生EMT一致。而在LUAD和SKSC中，由于正常肺组织和皮肤都具有鳞状细胞，研究人员并没有观察到正常组织和癌症中“鳞状细胞”模块表达水平的差异。 与之形成对比的是，正常胰腺组织以导管细胞为主，而在PDAC中，研究人员观察到了“鳞状细胞”模块的表达，这表明PDAC中癌细胞发生了鳞状分化。虽然鳞状细胞胰腺癌很少见，但PDAC中“鳞状细胞”模块表达频率的增加，表明鳞状细胞分化是常见的。另外一个例子是，与正常皮肤组织相比，SKSC中的“腺体”模块表达也增加。 以上变化都表明，癌症组织中既保留了原始组织的模块，又随着进化而加入了其他细胞类型的模块。 下一步，研究人员把目光投向癌细胞周围的区域，即TME。利用空间转录组学方法，研究人员把肿瘤分为三个部分：仅包含恶性细胞的区域（“恶性”），仅包含免疫细胞和基质细胞的区域（“正常”），以及两者重合的区域（“重合”）。 在恶性区域，研究人员发现内皮细胞的比例降低，这表明肿瘤中的血管生成不充分。研究人员还分析了抗肿瘤的M1和促肿瘤的M2巨噬细胞的比例，发现M1/M2比值在“重合”区域高于“正常”区域。另外，中性粒细胞也在“重合”区域富集。这两个现象表明在癌细胞附近具有强大的抗肿瘤免疫反应。 研究人员接下来又从“丰度”和“接近度”两个维度，来评估肿瘤细胞周围的TME组分。他们发现，有EMT模块表达的癌细胞周围，会富集成纤维细胞和内皮细胞；而表达“干扰素反应”模块基因的癌细胞周围，则富集T细胞和巨噬细胞。这表明癌细胞的状态与TME的组分息息相关。 癌细胞的状态与其TME中的细胞组分相互影响 最后，研究人员利用同种异体移植小鼠癌症模型，来进一步测试TME中干扰素反应和T细胞之间的关系。 研究人员首先在带有正常免疫系统的小鼠中，原位移植了四个胰腺肿瘤。通过对这些肿瘤的scRNA-seq数据进行分析，研究人员发现，小鼠模型可以模拟癌症患者肿瘤样本中存在的五个基因模块，包括“细胞周期”，“应激反应”，“干扰素反应”，“缺氧”和“腺体分化”。 接着，研究人员又用同样的方法，在缺乏T细胞和B细胞的Rag1-/-小鼠中，移植了四个胰腺肿瘤，并收集了scRNA-seq数据。他们发现，在Rag1-/-小鼠中，“干扰素反应”模块表达降低，而其他模块的表达水平则与带有正常免疫系统的小鼠中的相似。这表明癌细胞具有高度的可塑性，并能够通过表达不同的基因模块组合来适应其周围环境，从而进行增殖。 总之，Yanai团队的这个研究第一次提出，基因模块是组成转录组异质性的基本单位，而且不同基因模块的组合可以用来定义癌细胞的状态。这一发现也改变了我们对肿瘤异质性的传统认知——肿瘤转录组的异质性来源于不同的细胞类型，以及癌细胞中不同的基因突变。 基于该研究的结论，我们可以合理假设，在癌症诊疗中，我们或许可以利用上述方法来找到每个病人的肿瘤中表达最高的模块，并利用针对该模块作用机制的药物对病人进行治疗。这种治疗方式将推进个体化医疗的发展——从目前的以癌种、基因突变和少数标志物的表达为根据的诊疗，转化为以每个病人的肿瘤特征为指导的真正的精准治疗。 参考文献： [1]. Barkley D, Moncada R, Pour M, et al. Cancer cell states recur across tumor types and form specific interactions with the tumor microenvironment. Nat Genet. 2022;54(8):1192-1201. doi:10.1038/s41588-022-01141-9