KRT5

引言 肺基底干细胞在维持气道上皮稳态和修复损伤过程中发挥着至关重要的作用，其功能紊乱与多种肺部疾病的发生密切相关，如慢性阻塞性肺病（COPD）。在COPD患者中，气道上皮表现出肺基底干细胞的异常增生、纤毛细胞减少和上皮分化障碍等病理特征。同时，气道上皮细胞呈现异常的线粒体形态，提示线粒体代谢在调节肺基底干细胞功能及命运决定中具有重要作用。然而，这一机制仍未完全阐明。因此，深入了解线粒体代谢如何影响肺基底干细胞功能，对于揭示肺部疾病的发生机制以及开发靶向干细胞的治疗策略具有重要意义。 2024年10月18日，中国科学院上海分子细胞卓越创新中心隋鹏飞课题组在Cell Stem Cell期刊上发表了文章Mitochondrial pyruvate carriers control airway basal progenitor cell function through glycolytic-epigenetic reprogramming。该研究揭示了控制肺基底干细胞命运决定的代谢机制，并提出靶向干细胞代谢的肺部疾病治疗策略。 本研究首先发现，肺基底干细胞在分化过程中经历代谢重编程，其中线粒体丙酮酸氧化过程显著上调，线粒体丙酮酸转运体Mpc2表达水平增加。通过使用MPC小分子抑制剂UK-5099进行体外类器官培养和连续传代实验，研究表明抑制MPC活性可以抑制肺基底干细胞的分化，从而实现其长期体外扩增。在多次传代过程中，细胞始终保持肺基底干细胞的分化潜能。进一步构建突变体小鼠并进行体内谱系追踪实验，发现抑制肺基底干细胞的丙酮酸代谢赋予其快速增殖的潜能，导致上皮中肺基底干细胞异常增生。在损伤条件下，肺基底干细胞的丙酮酸代谢紊乱干扰了上皮结构的重建，导致大多数上皮细胞滞留在KRT13+或KRT5+KRT8+分化中间状态，阻碍上皮的修复进程。这些表型与COPD病理状态下的气道上皮特征非常相似。机制上，发现MPC敲除导致肺基底干细胞中柠檬酸含量显著下降，进而减少乙酰辅酶A的合成，影响组蛋白乙酰化水平，干扰分化相关基因的表达，从而建立了丙酮酸代谢与表观遗传修饰的调控环路。靶向该调控通路，外源性补充柠檬酸可以纠正异常的细胞行为，提升COPD患者肺基底干细胞向功能性纤毛细胞分化的效率。 本研究揭示了线粒体丙酮酸代谢在肺基底干细胞命运决定中的核心作用，构建了代谢与表观遗传的调控环路。这一发现为肺部疾病的治疗提供了新的思路。 模式图（Credit: Cell Stem Cell） 参考文献 https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.stem.2024.09.015 责编|探索君 排版|探索君 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

细胞是生命的基本单位，其在组织内的空间分布和组成决定了系统的结构和功能。例如，在神经组织中，神经元和胶质细胞以特定的方式排列，确保信息的高效传递；在肝脏中，不同类型细胞（如肝细胞和Kupffer细胞）在解剖学上形成特定的结构，发挥代谢和免疫的双重功能。 在肿瘤微环境中，肿瘤细胞、免疫细胞和基质细胞的相互作用和空间重塑可以影响肿瘤的生长、侵袭和转移。然而，肿瘤微环境是一个极其复杂的异质性系统，不同的细胞群体在肿瘤的不同阶段和微环境条件下表现出多样化的空间分布与组成，这种异质性极大地限制了对其功能的全面解析。 因此，识别具备特定细胞分布和组成的空间区域，即所谓的“空间域”（spatial domain），对于揭示肿瘤微环境的功能至关重要。这些空间域可能成为关键的细胞信号传递与相互作用的“热点”，通过研究这些热点，研究人员能够发现影响肿瘤生长与转移的关键生物标志物和潜在治疗靶点。  近年来，空间分辨转录组学技术的兴起，极大地推动了我们对复杂组织（如肿瘤微环境）中细胞组成与功能的理解。这些技术使研究者能够在单细胞水平上探究细胞的基因表达谱，揭示其在特定空间位置上的异质性和功能多样性。然而，如何从空间转录组数据中识别与病理相关的空间域仍面临巨大挑战。一方面，传统的聚类方法依赖空间邻近性和基因表达数据识别不同区域的特定表达模式，从而揭示其病理功能，但往往忽视了不同细胞类型之间的功能关联和相互作用。另一方面，反卷积方法虽然能够推测出特定区域的细胞类型比例，却未充分考虑这些细胞的空间连续性及其复杂的相互作用网络。  2024 年 9 月 27 日，南京大学陈迪俊课题组在《Science Advances》杂志发表了题为 “SpaTopic: A statistical learning framework for exploring tumor spatial architecture from spatially resolved transcriptomic data” 的研究论文。该研究开发了一种名为 SpaTopic 的统计学习框架，通过主题建模（topic modeling）将空间转录组数据的聚类和反卷积分析有机结合，能够将肿瘤微环境划分为具有一致细胞组成的空间域，从而实现对其精细的功能注释。 SpaTopic能够精准识别多种与肿瘤功能相关的空间域，包括三级淋巴结构和肿瘤边界等。更为重要的是，SpaTopic 推断出的空间域标记基因稳定性强，具有良好的迁移能力，能够用于预测新数据集中的空间域。此外，SpaTopic 还支持跨数据集的空间域定量比较和功能分析，为肿瘤微环境的功能解析提供了强大的工具和全新视角，其推断出的空间域标记物具有广泛的应用潜力。 简单来说，SpaTopic利用空间转录组学数据和单细胞转录组数据作为输入，进行空间域的预测、注释和比较。其分析流程大致如下：首先，利用反卷积方法推断每个空间点（spot）的细胞类型组成，并通过无监督聚类方法将这些空间点初步聚类。 接着，使用 Kolmogorov-Smirnov（KS）检验来确定每个分群的细胞类型特异性得分。然后，应用主题模型对细胞类型特异性矩阵进行分解，得到两个概率分布矩阵：一个是“主题-细胞类型矩阵”，表示每个主题中不同细胞类型的分布；另一个是“分群-主题矩阵”，表示每个分群在不同主题中的概率分布。 在此基础上，对“分群-主题矩阵”进行二值化处理，将每个分群分配到特定的主题（称为 CellTopics）。通过这些步骤，能够将空间点的分群映射到相应的主题，其中属于特定主题的分群被定义为空间域（spatial domains）。因此，SpaTopic不仅能够准确表征空间域中的细胞类型，还能实现不同空间转录组数据集之间的定量比较和空间基因表达模式的挖掘。 图1. SpaTopic技术流程图 三级淋巴结构是非淋巴组织中因慢性炎症形成的独特免疫微环境，包含B细胞、T细胞、树突状细胞（DCs）等多种免疫细胞。TLSs的细胞组成因组织和炎症条件的不同而存在变异，给计算预测带来挑战。通过对原发性肝癌的空间转录组数据进行分析，SpaTopic识别出与TLSs相关的空间域，这些空间域与B细胞、T细胞和树突状细胞等免疫细胞紧密共定位，形成了典型的TLSs结构。此外，SpaTopic不仅为TLSs的识别提供了一种无偏的方法，其衍生的标记基因集TLS-25在不同癌症类型中显示出一致的表达模式，能够有效预测TLS的存在，并与患者的生存率相关联。 图2. SpaTopic对TLSs的准确识别 进一步，SpaTopic 对结直肠癌（CRC）原发肿瘤和肝转移肿瘤的空间细胞组织进行了比较分析，成功识别了原发肿瘤和转移肿瘤的不同空间域，并通过聚类分析将它们归为七个主要的MetaTopics。原发肿瘤和转移肿瘤的MetaTopics 展现出一致的细胞组成，揭示了特定细胞类型的功能组合。 例如：来自 MetaTopic2（M2）的Mac_SPP1细胞亚群在原发肿瘤中高度富集，而 Mac_CXCL9 细胞亚群则在转移肿瘤的 M4 和 M6 中增加。研究发现原发肿瘤和转移肿瘤之间存在共享和独特的 MetaTopics，同时特定 MetaTopics（如 M6 和 M7）专属于转移肿瘤。这些发现与单细胞数据分析结果一致，进一步证明原发肿瘤与转移肿瘤之间的细胞组成和功能差异。 图3. SpaTopic在结直肠癌肝转移性肿瘤空间域的定量比较 然后，通过深入分析不同 MetaTopics 间的基因表达模式，得到 907 个基因在各MetaTopics中表现出显著差异，并将它们划分为七个不同的基因模块（K1 到 K7）。 例如：基因模块 K3 在转移特异性 MetaTopic M7 中显著高表达，包含脂肪酸代谢和急性炎症反应等生物过程，标志着肿瘤转移的特征。模块 K4 和 K5 在原发肿瘤相关 MetaTopics中活跃，涉及能量生产和代谢调控等功能。模块 K7 在原发和转移相关的MetaTopics间共享，富含免疫相关通路。通过整合六个空间转录组数据集，MetaTopics在相似的基因表达模式的特定点聚类中明确映射，进一步验证了SpaTopic在空间域定量比较和功能注释中的有效性。 图4. MetaTopics 的表达分析 综上所述，该研究展示了SpaTopic在解析和注释肿瘤微环境中细胞空间域方面的强大能力。通过识别具有一致基因表达模式和细胞类型构成的空间域，SpaTopic不仅能够揭示肿瘤微环境中的潜在功能单元，还支持跨样本和跨数据集的定量比较，具有较好的适用性。  南京大学生命科学学院陈迪俊副教授为该论文的通讯作者，生命科学学院博士研究生张月蕾、2020级本科生俞边炯和明文轩（两位均为新入学硕士研究生）为论文共同第一作者。南京大学生命科学学院王进教授和硕士研究生周小龙也参与本研究。该研究得到了南京大学高层次人才引进项目和国家自然科学基金面上项目的资助。 论文链接 https://www-science-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/pdf/10.1126/sciadv.adp4942 原文链接： https://life.nju.edu.cn/f5/1a/c12940a718106/page.htm 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

引言 癌症，是动态进化的，以选择性地在外来肿瘤环境中茁壮成长，例如癌细胞扩散的侵袭性前沿和远端器官。在进化过程中，肿瘤细胞经常重新利用组织固有的发育和致癌程序来获得生存优势，从而偏离其最初的细胞身份【1】。胰腺癌是一种高度恶性的肿瘤，其特点是肿瘤细胞具有显著的分子多样性，可以表现出不同的细胞身份。对胰腺癌的分子分类研究识别出不同的分子亚型，这些亚型与肿瘤的侵袭性、化疗反应和疾病预后有关。特别是，研究人员发现了两种主要的分子亚型：一种是保留了大量胰腺导管特征的亚型，另一种是预后较差的亚型，这种亚型的特点是失去了导管谱系的特征，并异常激活了基底细胞或鳞状细胞程序。在胰腺癌的发展过程中，肿瘤细胞可能会经历一种称为鳞状转分化的过程，即从导管细胞表型转变为鳞状细胞表型。这种转变与肿瘤的侵袭性和不良预后有关【2,3】。尽管已经有一些研究关注了这一现象，但关于这一过程的具体分子机制仍然不清楚，而且由于缺乏包含人类胰腺癌分子和组织学谱的实验模型，导管到鳞状谱系转换的生物学相关性和决定因素也尚未确定。 近日，来自日本庆应义塾大学医学院的Toshiro Sato团队在Nature Cell Biology上在线发表题为Wnt-deficient and hypoxic environment orchestrates squamous reprogramming of human pancreatic ductal adenocarcinoma的文章，深入探讨了人类胰腺导管腺癌在Wnt信号缺乏和缺氧环境下，通过分子多样性和表观遗传变化实现从导管细胞到鳞状细胞的转分化的分子机制，证实H3K27me3介导的表观遗传修饰和TP63基因的激活在这一过程中起到了关键作用，并发现EZH2抑制剂可能对治疗特定类型的胰腺癌具有潜力，不仅展示了不利的肿瘤微环境影响人类胰腺癌在分子层面和组织学层面上的演变的过程，而且为理解人类癌症中细胞谱系转换的原则和重要性提供了洞见，对于理解癌症的复杂性和开发新的治疗方法具有重要意义。 为了全面捕捉人类胰腺癌的分子多样性，本文研究人员构建了65个来自患者的胰腺癌类器官系，使用基于生长因子的选择方法来富集癌症类器官，并分析了这些类器官对Wnt-3A和R-spondin（WR，这是两种在细胞信号传导中起重要作用的分泌型蛋白质，在调节肿瘤微环境中的信号传导中扮演着重要角色，在类器官培养中，Wnt-3A和R-spondin也常被用作培养基质成分，以维持类器官的干细胞特性和促进其增殖）的依赖性，将这些类器官分为三类：需要WR的Wnt非分泌（Wnt−）亚型、利用自分泌Wnt但需要R-Spondin的Wnt分泌（Wnt+）亚型、以及在缺乏WR的情况下能够增殖的WR非依赖（WRi）亚型。与已有研究结果一致，包括WRi亚型在内的胰腺癌类器官大多没有Wnt途径突变，提示非遗传因素在WR非依赖性中起作用。同时，根据形态特征可以将这些类器官分为3类：具有极化单层形态的囊性类器官，具有多个腔室和偶尔伪分层的筛状类器官，以及显示出密集堆积的层状外观且没有腔室结构的实体类器官。类器官的形态反映了细胞固有的组织学属性，与它们的分子特征和疾病进展阶段有关。特别是实体类器官表现出对WR的非依赖性，这可能反映了疾病晚期的生物学特性。 随后，研究人员利用RNA测序技术对不同类型和状态的胰腺癌类器官进行了全面的基因表达分析，结果显示胰腺癌类器官的整体转录组模式会随着它们对Wnt信号的依赖性不同而发生变化，不依赖Wnt信号的类器官（如WRi亚型）倾向于表达与基底样和鳞状细胞特征相关的基因，如TP63、KRT5和KRT6A。这些TP63高表达的实体类器官的异种移植瘤都显示出与胰腺腺鳞癌（PASC）类似的组织学特征，包括腺体结构的丧失、多边形细胞的片层组织和鳞状细胞标记的表达，被称为PASC类器官。PASC类器官表现出不可逆的实体结构，且大多数不依赖于WR，而且它们还表现出与内胚层和胰腺发育相关的转录因子的低表达，包括GATA6、LGR5（R-spondin受体和典型Wnt信号的靶标），而这可能与它们对Wnt信号的不活跃反应有关。进一步研究结果显示，ΔNp63（在PASC中表达的TP63亚型，被报道可在癌细胞中促进导管到鳞状的改变）的过表达足以在非PASC肿瘤类器官中诱导出PASC的分子和表型特征。相反，TP63的敲除则导致PASC类器官失去了鳞状细胞属性，恢复了腺体结构，并且对WR的依赖性增加。由此表明TP63是调控人类PASC中鳞状细胞表型的关键分子，并且是PASC发展过程中的一个重要调节因子。 PASC类器官的极端基因表达模式提示在导管到鳞状进展过程中存在广泛的表观基因组重塑，因此通过转座酶可接近的染色质测序（ATAC-seq）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq），研究人员证实PASC类器官具有独特的染色质可接近性模式，而且H3K27me3修饰在PASC类器官中富集于那些在PASC中表达下调的基因，包括GATA6和LGR5等。由此表明在PASC的发展过程中，表观遗传修饰，特别是H3K27me3的沉积，可能在抑制原始导管细胞身份基因的表达中起到了关键作用，从而促进了向鳞状细胞表型的转换。 进一步地，研究人员探讨了H3K27me3沉积在PASC中的分子基础。实验结果显示，在含有WR的培养条件下，敲除GATA6或KDM6A（一种在鳞状亚型中反复突变或缺失的赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶，可使H3K27去甲基化）的类器官没有表现出明显的形态变化。然而，在缺乏WR的条件下，敲除KDM6A和GATA6的双敲除类器官出现了实体化转变，并且变得不再依赖WR信号，而且表现出了与PASC相似的基因表达模式以及染色质可接近性模式，这些变化也与H3K27me3修饰的重新分布有关。由此表明KDM6A的单独缺失不足以诱导PASC转化，需要GATA6的共同失活和环境WR的耗尽一起发挥作用，促进胰腺癌细胞向鳞状细胞命运的表观遗传重编程，以实现在Wnt缺陷生态位中的选择性生长。与此同时，氧气对于KDM6A的去甲基化活性也至关重要，而且临床胰腺癌肿瘤已知是低血管化的。研究结果显示，缺氧和Wnt信号缺陷的微环境也可以驱动胰腺癌细胞向鳞状细胞表型的转化，并指导其表观遗传重编程，从而决定PASC的命运。临床数据同样支持了胰腺癌组织的鳞状属性与典型Wnt和氧气利用率低的肿瘤环境之间的关系。单细胞测序结果显示在Wnt缺乏的低氧条件下，从经典导管型到PASC的转换是时间依赖性的，它要通过一个中间状态，而与炎症和应激反应相关的基因在转换过程中被激活，证明从导管谱系到PASC命运的转换特征是导管身份的快速丧失、中间程序的短暂激活和鳞状细胞特征的逐步获得。 最后，研究人员评估了平衡PASC的表观遗传偏倚是否可以对这种致命疾病产生治疗效果。鉴于PRC2和KDM6A在H3K27me3上的相反功能，研究人员检测了EZH2（PRC2的核心组分）抑制对胰腺癌类器官的影响。结果显示，EZH2抑制剂对胰腺癌类器官的生长有明显的抑制作用，尤其是对于那些表现出WR非依赖（WRi）和PASC特征的类器官。此外，对于部分对EZH2抑制剂反应较弱的类器官，通过同时阻断Wnt信号可以增强EZH2抑制剂的效果，提示表观基因组靶向治疗PASC的治疗潜力。 图1 模式图（Credit: Nature Cell Biology） 综上所述，本研究展示了PASC类器官的衍生，随后采用了多层次的方法，整合了基因工程、全面的分子分析和药物测试，揭示了人类胰腺癌中鳞状重编程的分子和环境基础，阐明PASC组织发生的特点在于环境依赖性的表观遗传景观的改变，导致癌细胞导管身份的丧失，而向鳞状细胞谱系的转化，并获得了Wnt信号的非依赖性，而这可能是EZH2抑制的治疗靶点（图1）。由此不仅提供了对人类胰腺癌生物学的基本见解，而且还补充了临床相关PASC模型的缺乏。 参考文献 1. Fujii, M., Sekine, S. & Sato, T. Decoding the basis of histological variation in human cancer. Nat. Rev. Cancer 24, 141–158 (2024). 2. Collisson, E. A. et al. Subtypes of pancreatic ductal adenocarcinoma and their differing responses to therapy. Nat. Med. 17, 500–503 (2011). 3. Hayashi, A. et al. A unifying paradigm for transcriptional heterogeneity and squamous features in pancreatic ductal adenocarcinoma. Nat. Cancer 1, 59–74 (2020). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41556-024-01498-5 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