今天给大家解析一篇北京大学汤富酬课题组发表在GUT发表的文章，题目为：“Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patientswith familial adenomatous polyposis”。本篇文章同时收集了同一患者相邻的正常组织、不同分期的腺瘤和癌样本，采用多区域抽样策略研究肿瘤内异质性。每个病灶同时收集三组数据：WES、WGS和单细胞RNA-seq数据。对同一FAP患者不同阶段病变的基因组景观和克隆结构进行了综合研究。此外，文章还使用单细胞RNA-seq数据来研究同一FAP患者多区域病变之间的转录组异质性，并探索结直肠腺瘤起始和癌变过程中肿瘤细胞中的转录组动态变化。
家族性腺瘤性息肉病(FAP)是一种常染色体显性综合征，FAP主要由基因APC的遗传突变引起。FAP患者在结肠和直肠会发展为数百到数千个腺瘤，如果不及时治疗，这些腺瘤将不可避免地发展成腺癌。
相比于非FAP结直肠癌患者，FAP患者中的体内的病变组织会处在多个阶段，即同一患者体内同时存在正常上皮、不同级别腺瘤、早期癌、进展期癌等不同病变，这使得FAP成为追踪结直肠癌发生发展最理想的自然模型。
本研究的队列包括6例FAP患者，1例MUTHY相关性息肉病(MAP)患者和2例散发性结直肠癌患者。共采集56份样本：外周血6份，相邻正常组织12份，低级别腺瘤23份，高级别腺瘤5份，癌样本10份。最小的腺瘤直径为2毫米，最大的癌直径为50毫米。
通过WES数据分析，67个样本共发现8327个体细胞突变。经过筛选，共鉴定出4,220个潜在致病突变。文章统计了体细胞突变、拷贝数缺失和拷贝数改变(CNAs)，结果显示APC的突变频率最高。与相邻的正常组织相比，低级别腺瘤已经出现更多的体细胞突变。与低级别腺瘤相比，癌组织样本具有相对更高的突变负荷。
文章对单个患者的不同部位的体细胞突变谱构建了谱系发生树，FAP1样本中病灶共享突变高于非共享突变，表明这些空间分离的病灶是单克隆的，来自同一细胞。其他样本中也存在同样的现象，说明癌前细胞积累了潜在的致病突变，使其具有增殖优势，然后其子细胞通过隐窝裂变扩展到邻近区域，随着其他致病事件的积累，形成空间分离的病灶。这一现象表明，致病事件可能在临床可识别的腺瘤出现之前就已经存在了。
文章将FAP患者的上皮细胞与正常的散发性结直肠癌的转录组数据进行对比分析，FAP上皮中最显著上调的基因是OLFM4，它被报道为肠干细胞和CRC细胞亚群的标记物；另一个上调的基因，ATF3，是一种致癌的抑制转录因子，可以被缺氧诱导。通路富集分析表明，FAP患者中上调基因在肽生物合成、核苷酸代谢、氨基酸代谢、脂质代谢和碳水化合物代谢等代谢过程中均有较强富集信号。
文章通过对FAP患者单细胞测序数据，分析病变过程中的转录异质性。通过tSNE分析，所有FAP1上皮细胞被分成4组。4组细胞样本根据其不同的空间位置被分为腺瘤组和癌组，每个组都有其不同的转录组学特征，这些结果表明，肿瘤的转录组异质性可能由其空间位置决定，并受到周围微环境的影响。然而，在FAP4和FAP5的低级别腺瘤样本中未发现空间区域特异性的转录组特征。
文章分析了腺癌向癌症转变过程中的转录组动态变化，并根据变化趋势的不同，将基因分为4组。第一组基因在相邻的正常上皮中表现出表达水平的增加。在致癌过程中，这些基因首先在早期病变阶段下调，然后在后期阶段上调。这些基因参与了三羧酸循环（TCA）循环、呼吸电子运输、葡萄糖生成、线粒体活动等。这一结果与之前的研究结果一致，即癌细胞主要利用糖酵解而不是TCA途径来产生能量的。大多数参与TCA循环的基因从邻近的正常上皮到腺瘤先是下调，然后从腺瘤到癌的过程中略微上调，表明TCA途径在癌前腺瘤中已经受到强烈地抑制。
第2组的基因在癌变的早期阶段也表现出下调，而第3组的基因直到癌变的晚期阶段才被下调。第2组的基因富集在代谢信号通路中，而第3组的基因富集在离子止血和凋亡信号途径中。第4组的基因在癌症发生的晚期被上调，并富集在骨髓白细胞激活、伤口愈合和细胞对酸性化学物质的反应中。
资料来源
【1】Li J, Wang R, Zhou X, et al. Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patients with familial adenomatous polyposis[J]. Gut, 2020, 69(7): 1283-1293.
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