Neuro Oncol . | 湯富酬/文路與天壇醫(yī)院合作揭示垂體瘤轉(zhuǎn)錄組特征
? ? ?垂體是最重要最復(fù)雜的內(nèi)分泌腺體之一，主要由五種激素細(xì)胞組成，包括生長激素細(xì)胞、催乳素細(xì)胞、促甲狀腺素細(xì)胞、促腎上腺皮質(zhì)激素細(xì)胞和促性腺激素細(xì)胞，在生長發(fā)育、代謝調(diào)節(jié)、生殖以及應(yīng)激等生理過程中發(fā)揮重要作用。每種激素細(xì)胞都有可能異常增殖形成腫瘤，即垂體神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤(Pituitary neuroendocrine tumors，PitNETs)，又稱垂體腺瘤或垂體瘤，是第二大常見的顱內(nèi)腫瘤，大約占顱內(nèi)腫瘤的10%~16%?；蚪M學(xué)研究發(fā)現(xiàn)40~60%的生長激素瘤有GNAS基因突變，40~60%促腎上腺皮質(zhì)激素瘤有USP8突變，但60%垂體瘤未發(fā)現(xiàn)基因突變，病因不明。
垂體瘤細(xì)胞中哪些基因的表達(dá)水平發(fā)生了異常變化？傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)未能有效解決這個(gè)問題。這是由于正常垂體組織中，五種類型的激素細(xì)胞互相混雜，傳統(tǒng)的群體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)所檢測到的實(shí)際是“平均激素細(xì)胞”。由于缺乏正常對(duì)照信息，群體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)難以準(zhǔn)確鑒定垂體瘤細(xì)胞中發(fā)生的基因表達(dá)變化。另外，多激素垂體瘤和侵襲性垂體瘤是否存在瘤內(nèi)細(xì)胞異質(zhì)性，也是尚未研究清楚的問題。
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生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心湯富酬教授和北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心文路副研究員，與北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科周大彪主任合作，于2021年4月28日在Neuro-Oncology雜志在線發(fā)表題為《?Single-cell transcriptome and genome analyses of pituitary neuroendocrine tumors》的研究論文。該研究對(duì)21個(gè)病人的23例垂體瘤組織樣本進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序（2679個(gè)細(xì)胞），并對(duì)其中5例組織進(jìn)行了單細(xì)胞多組學(xué)測序（238個(gè)細(xì)胞），為深入理解上述問題提供了新的視角（圖1）。該研究論文的主要發(fā)現(xiàn)包括：
圖1 垂體瘤病人臨床信息
1）通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的無監(jiān)督式聚類可區(qū)分所有垂體瘤亞型，與臨床基于免疫組織化學(xué)的分類結(jié)果一致（圖2）。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序還提供了一些新的有趣信息。例如，一例垂體瘤（P11）同時(shí)表達(dá)促腎上腺皮質(zhì)激素細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子T-PIT（TBX19）與促性腺激素細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SF-1（NR5A1），其細(xì)胞在線性降維空間中位于兩個(gè)譜系之間，顯示其處于一種中間狀態(tài)。另一例垂體瘤（P14）被臨床診斷為零細(xì)胞垂體瘤，與促性腺激素瘤聚類，提示其細(xì)胞來源可能是促性腺激素細(xì)胞。
圖2 所有腫瘤細(xì)胞及重要轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)在PCA圖中的映射
2）我們分離鑒定出了三種正常垂體內(nèi)分泌細(xì)胞：生長激素細(xì)胞、催乳素細(xì)胞和促性腺激素細(xì)胞，首次獲得這些成體垂體激素細(xì)胞類型的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。與相應(yīng)腫瘤細(xì)胞類型比較，我們?nèi)骅b定了生長激素垂體瘤、促性腺激素垂體瘤和催乳素垂體瘤的腫瘤差異表達(dá)基因譜（圖3A-3D）。生長激素瘤的差異表達(dá)基因以上調(diào)為主（76.1%, 283/372），而促性腺激素瘤的以下調(diào)為主（84.3%, 542/643）。生長激素瘤上調(diào)的基因中富集分泌相關(guān)基因如SCG3，可能與該腫瘤類型的功能亢進(jìn)特征有關(guān)。促性腺激素瘤下調(diào)基因中包括LHB和GNRHR等激素相關(guān)基因，與該腫瘤類型往往功能沉默有關(guān)；下調(diào)基因中還富集細(xì)胞周期負(fù)向調(diào)控基因如CDKN2A，表明該腫瘤類型發(fā)生了細(xì)胞增殖失調(diào)。值得指出，研究鑒定出了新的垂體瘤相關(guān)基因，如AMIGO2，在生長激素瘤與促性腺激素瘤中表達(dá)顯著增高（圖3E)。
圖3 A-D，垂體瘤腫瘤細(xì)胞和相對(duì)應(yīng)的正常細(xì)胞的差異表達(dá)基因（A-C）和GO分析（D）。E，垂體瘤腫瘤相關(guān)基因在所有細(xì)胞中的表達(dá)水平
3）通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，證實(shí)多激素垂體瘤中，多種激素相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄因子在單個(gè)細(xì)胞中共表達(dá)，未發(fā)現(xiàn)瘤內(nèi)異質(zhì)性（圖4）。在侵襲性瘤中，也未發(fā)現(xiàn)明顯的瘤內(nèi)異質(zhì)性。
圖4 PIT-1譜系垂體瘤和多激素垂體瘤中單細(xì)胞水平的激素相關(guān)基因表達(dá)
4）單細(xì)胞多組學(xué)分析表明，即使是基因組拷貝數(shù)紊亂的垂體瘤，單細(xì)胞層次也具有基本一致的拷貝數(shù)變異模式，表明其為單克隆起源（圖5A）。但我們也鑒定到了少量的瘤內(nèi)基因組拷貝數(shù)變異異質(zhì)性（圖5B）。
圖5 P20（A）和P21（B）垂體瘤患者腫瘤細(xì)胞中的基因組拷貝數(shù)變異（CNV）情況
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總之，本研究首次從單細(xì)胞水平上對(duì)垂體瘤轉(zhuǎn)錄組和基因組進(jìn)行了較全面分析，解析了瘤間與瘤內(nèi)異質(zhì)性，鑒定了新的垂體瘤相關(guān)基因，為闡釋垂體瘤發(fā)病機(jī)理與發(fā)現(xiàn)治療靶點(diǎn)提供了新的線索。
北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心崔月利博士、博士生蔣振寰、博士后張書博士和北京天壇醫(yī)院博士生李超為本文共同第一作者。北京大學(xué)未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心湯富酬教授和北京大學(xué)未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院、文路副研究員，與北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科周大彪主任為該論文的共同通訊作者。該研究項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金委、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心和生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/neuro-oncology/advance-article/doi/10.1093/neuonc/noab102/6256973
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