發表期刊：Science 

研究簡介

癌細胞的身份是通過形態學、組織背景和標記基因表達來定義的。單細胞轉錄組在mRNA的全面和定量讀取基礎上細化了細胞的身份。精細的細胞轉錄組分析可以揭示一個腫瘤細胞的起源以及支持惡性轉化的轉錄軌跡。

信使RNA編(bian)碼細胞(bao)(bao)(bao)功能并產生表(biao)型。在人(ren)(ren)類癌癥(zheng)的(de)背景下，它(ta)定(ding)義了(le)(le)惡性細胞(bao)(bao)(bao)的(de)身份(fen)和(he)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)組(zu)(zu)織的(de)多樣性。本(ben)文(wen)對來自人(ren)(ren)腎(shen)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)和(he)胎(tai)兒、兒科和(he)成人(ren)(ren)腎(shen)臟正常(chang)組(zu)(zu)織的(de)72501個腎(shen)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)細胞(bao)(bao)(bao)進(jin)行單細胞(bao)(bao)(bao)轉錄組(zu)(zu)分析(xi)(xi)。將兒童腎(shen)母細胞(bao)(bao)(bao)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)與特定(ding)的(de)胎(tai)兒細胞(bao)(bao)(bao)類型進(jin)行匹配(pei)，為假(jia)設腎(shen)母細胞(bao)(bao)(bao)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)是(shi)異常(chang)的(de)胎(tai)兒細胞(bao)(bao)(bao)提供證(zheng)據。在成人(ren)(ren)腎(shen)細胞(bao)(bao)(bao)癌中，鑒(jian)定(ding)出一個典型癌癥(zheng)轉錄本(ben)，它(ta)與鮮為人(ren)(ren)知的(de)近似復雜(za)的(de)上皮(pi)細胞(bao)(bao)(bao)亞型（subtype of proximal convoluted tubular cell）匹配(pei)。本(ben)文(wen)對腫(zhong)(zhong)瘤(liu)成分的(de)分析(xi)(xi)確(que)定(ding)了(le)(le)與癌癥(zheng)相關的(de)正常(chang)細胞(bao)(bao)(bao)。文(wen)章結果發(fa)現可以(yi)精(jing)確(que)的(de)進(jin)行人(ren)(ren)腎(shen)臟腫(zhong)(zhong)瘤(liu)的(de)鑒(jian)定(ding)和(he)組(zu)(zu)成識別。

研究(jiu)方法

方法平臺：10Xgenomics 單(dan)細胞轉錄(lu)組測序， Illumina HISEQ 4000

實驗設計：

研究結果(guo)

3.1微滴質量(liang)控(kong)制和細胞單元分配概述

將得到(dao)的125139個(ge)(ge)(ge)unique barcodes的細(xi)(xi)胞(bao)(bao)通過質量控(kong)制，去除含有少(shao)于200個(ge)(ge)(ge)genes，線粒體基因表(biao)達超(chao)過20%細(xi)(xi)胞(bao)(bao)和(he)(he)利(li)用標記組(zu)合檢測可能是相同(tong)亞群的細(xi)(xi)胞(bao)(bao)后得到(dao)72501個(ge)(ge)(ge)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)，進一步將72501個(ge)(ge)(ge)胎兒、正常(chang)和(he)(he)腫瘤細(xi)(xi)胞(bao)(bao)分(fen)成(cheng)免疫和(he)(he)非免疫細(xi)(xi)胞(bao)(bao)室（圖1）。

圖1

3.2 正(zheng)常人腎的典型細胞類型

非(fei)(fei)免疫細(xi)(xi)胞(bao)(bao)中(zhong)，在(zai)42809個(ge)非(fei)(fei)惡性細(xi)(xi)胞(bao)(bao)中(zhong)，37951個(ge)成熟(shu)腎細(xi)(xi)胞(bao)(bao)代(dai)表腎單位不同顯微(wei)解剖區域(yu)的上皮細(xi)(xi)胞(bao)(bao)，t-SNE非(fei)(fei)線性聚類的方(fang)法和(he)已知細(xi)(xi)胞(bao)(bao)標記基(ji)因展示其中(zhong)近端(duan)小管細(xi)(xi)胞(bao)(bao)占很大比例(圖2，A～C)。此外，還(huan)有成纖維細(xi)(xi)胞(bao)(bao)、肌成纖維細(xi)(xi)胞(bao)(bao)和(he)血(xue)管內(nei)(nei)皮細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(腎小球內(nei)(nei)皮和(he)上升(sheng)和(he)下降的直腸(chang)血(xue)管)(圖2D)

圖2

3.3 胎兒細胞類(lei)型與(yu)腎臟發生(sheng)

同樣t-SNE非線(xian)性(xing)聚類的(de)(de)(de)方法顯示胎兒細胞（4858個）分(fen)為發(fa)育期(qi)腎(shen)(shen)(shen)單位[輸尿(niao)管(guan)芽(ya)（UB）、帽間(jian)質細胞（CM）和(he)原(yuan)始囊泡(pao)（PV）細胞]和(he)成(cheng)纖維(wei)細胞、肌成(cheng)纖維(wei)細胞、血管(guan)內皮細胞和(he)神經節(jie)細胞（圖3，A至C）。細胞類群中腎(shen)(shen)(shen)發(fa)生基因的(de)(de)(de)表達闡(chan)明腎(shen)(shen)(shen)單位的(de)(de)(de)發(fa)育。腎(shen)(shen)(shen)單位的(de)(de)(de)形成(cheng)是從UB產生的(de)(de)(de)，它導致上面(mian)的(de)(de)(de)間(jian)質凝結成(cheng)CM。然后(hou)CM形成(cheng)PV即腎(shen)(shen)(shen)小球的(de)(de)(de)前體。管(guan)狀系(xi)統從胎兒腎(shen)(shen)(shen)單位的(de)(de)(de)UB和(he)PV兩端(duan)生長。為了確定腎(shen)臟發生的(de)(de)轉錄(lu)程序，本文鑒定了在(zai)UB細(xi)胞對應CM和PV細(xi)胞中差異(yi)表(biao)達的(de)(de)轉錄(lu)因(yin)子(zi)，結(jie)果(guo)顯示(shi)轉錄(lu)因(yin)子(zi)的(de)(de)表(biao)達在(zai)偽(wei)時間軌(gui)跡上顯著變化（圖3D）。這些分析確定了與腎(shen)單位發育相關的(de)(de)已(yi)建立的(de)(de)和先前未(wei)知的(de)(de)轉錄(lu)因(yin)子(zi)，包括(kuo)為隨后惡性腫(zhong)瘤分析提供參考。

圖(tu)3

3.4 兒童腫瘤細(xi)胞與正常(chang)胚(pei)胎細(xi)胞比對分(fen)析

建(jian)立起健康腎(shen)(shen)(shen)的(de)(de)(de)單(dan)(dan)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)全景(jing)后，對(dui)來(lai)(lai)自腫(zhong)瘤的(de)(de)(de)6333個(ge)(ge)非免疫(yi)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)17821個(ge)(ge)免疫(yi)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)進(jin)行研究（Wilms tumor, ccRCC, and pRCC)。結合基(ji)因(yin)分(fen)型和(he)相(xiang)似性(xing)分(fen)析，本文研究發(fa)(fa)現腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)與正(zheng)常(chang)胎(tai)兒細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)相(xiang)似，來(lai)(lai)自腫(zhong)瘤的(de)(de)(de)肌(ji)成纖維細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)與來(lai)(lai)自成熟腎(shen)(shen)(shen)臟和(he)胎(tai)兒腎(shen)(shen)(shen)臟的(de)(de)(de)肌(ji)成纖維細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)相(xiang)似性(xing)高，表(biao)明腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)代表(biao)異常(chang)胎(tai)兒細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)，。與UB和(he)PV細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)比對(dui)發(fa)(fa)現了差(cha)異的(de)(de)(de)腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)群（特(te)(te)定(ding)發(fa)(fa)育(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)腎(shen)(shen)(shen)單(dan)(dan)位亞(ya)群）（圖(tu)(tu)4A）。為了驗(yan)證腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)身(shen)份(fen)，本文對(dui)124個(ge)(ge)腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)(ge)獨立系(xi)列進(jin)行轉錄組(zu)查詢(xun)從而找(zhao)到UB和(he)PV的(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)特(te)(te)征(zheng)，提取了在(zai)腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)UB或(huo)PV細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)中(zhong)(zhong)表(biao)達(da)和(he)在(zai)非腫(zhong)瘤細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)中(zhong)(zhong)未表(biao)達(da)的(de)(de)(de)特(te)(te)異性(xing)標記，證實(shi)這(zhe)些(xie)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)在(zai)腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)腫(zhong)瘤中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)存在(zai)，PV和(he)UB細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)特(te)(te)征(zheng)可(ke)(ke)(ke)見于腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)腫(zhong)瘤和(he)正(zheng)常(chang)胎(tai)兒組(zu)織，并且局限于腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)腫(zhong)瘤和(he)正(zheng)常(chang)胎(tai)兒組(zu)織（圖(tu)(tu)4B）。腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)腫(zhong)瘤細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)偽時間(jian)發(fa)(fa)育(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)顯示出(chu)來(lai)(lai)自UB的(de)(de)(de)兩個(ge)(ge)轉錄程(cheng)序：一(yi)(yi)個(ge)(ge)分(fen)支(zhi)主(zhu)要描(miao)述腎(shen)(shen)(shen)源(yuan)性(xing)剩余細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)育(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)，另一(yi)(yi)個(ge)(ge)分(fen)支(zhi)主(zhu)要描(miao)述腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)育(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)（圖(tu)(tu)4C）。這(zhe)兩個(ge)(ge)程(cheng)序中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)轉錄因(yin)子（圖(tu)(tu)4D）和(he)正(zheng)常(chang)腎(shen)(shen)(shen)形成的(de)(de)(de)轉錄因(yin)子顯著(zhu)重疊(die)（P＜10-4；超(chao)幾何檢驗(yan)），這(zhe)表(biao)明腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)育(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)來(lai)(lai)自于正(zheng)常(chang)腎(shen)(shen)(shen)形成過程(cheng)。該研究揭示了腎(shen)(shen)(shen)母(mu)(mu)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)可(ke)(ke)(ke)塑性(xing)并且來(lai)(lai)源(yuan)于胎(tai)兒細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)身(shen)份(fen)并且從轉錄水平(ping)上定(ding)義了發(fa)(fa)育(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)狀態和(he)軌(gui)跡，這(zhe)些(xie)狀態和(he)軌(gui)跡可(ke)(ke)(ke)能具有可(ke)(ke)(ke)靶向(xiang)的(de)(de)(de)脆弱性(xing)。

圖4

3.5成(cheng)人(ren)腫(zhong)瘤與正常成(cheng)熟(shu)腎細(xi)胞相匹配

接下(xia)來(lai)本文研究了(le)ccRCC和(he)pRCC（類(lei)型1）。將ccRCC和(he)pRCC與正(zheng)常(chang)成熟細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)匹配，發現它們保留(liu)了(le)PT1細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)亞群的(de)轉錄(lu)特征， PT1細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)亞群是卷曲近端管狀細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)一種特殊亞型（圖(tu)5A）。為證實(shi)RCC中(zhong)PT1標記(ji)物的(de)身份，利(li)用觀察結果(guo)，即PT1細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)是由SLC17A3和(he)VCAM1定(ding)義(yi)的(de)，本文數據中(zhong)沒有SLC7A13。VCAM1表(biao)(biao)達在腎(shen)小管近端PT1特異(yi)性(xing)表(biao)(biao)達（P<10_4；Mann-Whitney試驗）（圖(tu)5B）。共聚焦顯微鏡顯示VCAM1和(he)SLC17A3在CA9+細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)中(zhong)定(ding)位，CA9是ccRCC細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)特異(yi)性(xing)標志(zhi)物（圖(tu)5C）。從(cong)三個(ge)人組織檢測，確定(ding)了(le)Ca9+ VCAM1+近端腎(shen)小管細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)亞群（圖(tu)5D）。這(zhe)(zhe)些觀察證實(shi)PT1細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)是ccRCC細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)最近的(de)正(zheng)常(chang)相關細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)。在ccRCC和(he)pRCC中(zhong)都存在PT1標記(ji)可能表(biao)(biao)明這(zhe)(zhe)些腫(zhong)瘤分歧的(de)命(ming)運的(de)共同起源。

圖5

總結

通過識別腎(shen)(shen)癌細胞特定(ding)的(de)(de)(de)(de)相關的(de)(de)(de)(de)正常細胞，這項研究將我們對這些(xie)惡性腫瘤的(de)(de)(de)(de)理解超越(yue)了(le)“非胎(tai)兒性”的(de)(de)(de)(de)概(gai)念或從(cong)近似的(de)(de)(de)(de)微解剖區(qu)域到精確(que)的(de)(de)(de)(de)細胞、分子定(ding)量分辨率。該(gai)研究發(fa)現將兒童早期腎(shen)(shen)母(mu)細胞瘤的(de)(de)(de)(de)發(fa)病高峰描繪為胎(tai)兒腎(shen)(shen)臟發(fa)生的(de)(de)(de)(de)腐敗，與成熟腎(shen)(shen)臟中腎(shen)(shen)癌的(de)(de)(de)(de)終生發(fa)展形成對比。該(gai)研究提供了(le)一(yi)個(ge)可擴(kuo)展的(de)(de)(de)(de)實驗策略，用于確(que)定(ding)人類癌細胞的(de)(de)(de)(de)身份。

參考(kao)文獻(xian)

Young M D, Mitchell T J, Braga F A V, et al. Single-cell transcriptomes from human kidneys reveal the cellular identity of renal tumors[J]. Science, 2018, 361(6402): 594-599.