前列腺癌进展过程中单细胞分辨率下的细胞群体动力学研究

文章信息

题目：Defining cellular population dynamics at single-cell resolution during prostate cancer progression 期刊：eLife 日期：2022/12/13 DOI：https://doi.org/10.7554/eLife.79076

简介

本文设计了多种精细的前列腺癌小鼠模型，结合单细胞测序数据进行了深入的探索，例如前列腺癌特异相关的细胞类型，免疫特征以及Castration处理前后的多角度分析。这为理解前列腺癌的发生以及castration resistant的机制以及治疗措施提出了新的见解与观点。

• 数据集已上传到：GSE17133
• 数据图谱已制作成交互式网页，方便查询：https://atlas.fredhutch.org/hsieh-prostate/

此外，这篇文章的数据量、工作量较为丰富，差异分析、轨迹推断、细胞通讯分析策略值得精读、学习。原文也提供了部分分析与绘图代码：https://github.com/sonali-bioc/GermanosProstatescRNASeq/

1、前列腺癌模型小鼠单细胞图谱

（1）测序数据

• 3只对照组6月龄小鼠(WT)与2只前列腺癌模型6月龄小鼠(Pten)

Pten模型组：对小鼠前列腺的基底(Basal)与管腔(Luminal)上皮细胞的肿瘤抑制基因Pten的5号外显子进行敲除。之后笔记简称Pten组

（2）使用SingleR软件注释出3大类细胞：epithelial，stromal以及immune cells

（3）结合文献marker，进一步注释两组的上皮细胞亚型

• 对WT组注释出basal(Krt5/Sox4), luminal differentiated(Nkx3-1/Sbp)以及luminal progenitor(Psca/Tactsd/Krt4)与Urethral(Aqp3/Ly6d)
• 对Pten上皮细胞进一步注释出basal，Urethral，luminal differentiated，以及一种intermediate luminal(Krt4/Tacstd2/Ppp1r1b，对应WT组的luminal progenitor)

2、intermediate luminal细胞发育推断分析

（1）首先观察到Pten组的intermediate比例显著高于WT组的progenitor比例；

（2）Pten与WT组的同种细胞类型差异基因多富集在肿瘤发生、上皮细胞迁移增殖等通路；

（3）结合细胞周期分析在Pten组的basal细胞发现两种处于不同增殖状态的亚群

• hyper-proliferative,亚群占18.6%，其中99.7%的细胞处于G2/M、S，显著高于WT的basal
• hypo-proliferative,亚群81.4%，其中52.2%的细胞处于G2/M，S；显著低于WT的basal

（4）上述两个亚群间差异分析

• hypo-proliferative富集在迁移、发育分化通路
• hyper-proliferative富集在细胞周期相关通路

（5）结合Monocle3、RNA velocity、Palantir推断出由hypo-proliferative到intermediate luminal的发育轨迹以及相关基因；

（6）基于luminal的maker基因表达，发现intermediate luminal也有可能源自luminal progenitor发育而来。

3 前列腺癌模型小鼠的免疫细胞特征

（1）首先观察到Pten与WT组的同种细胞类型差异基因也富集到免疫相关通路；

（2）对免疫细胞进行亚型注释如下

• neutrophil → myeloid-derived suppressor cells (MDSCs)
• macrophage → TAM，M2，TRM(tissue-resident)
• T cell → CD8+，gamma-delta T， NKT
• B cell， DC细胞

（3）除B，TRM，NKT细胞外，其它细胞类型比例Pten组显著高于WT组，其中M2、TAM、MDSCs以及CD8+ T均具有促进肿瘤作用。

（3）使用CellPhoneDB分析上皮细胞等与免疫细胞之间的配受体通讯在Pten/WT差异表达，推断M2巨噬细胞由上皮与成纤维细胞招募，进而促进MDSCs与CD8+

4、Castration引发intermediate luminal的异质性

（1）加入新的单细胞测序数据：

• 3只Pten组小鼠于4月龄时进行Castration阉割处理，待6月时取样测序
• 后续简称Pten cx组

（2）Pten cx组的intermediate luminal细胞比例显著扩增， 而没有differentiated luminal cells

（3）Pten组与Pten cx组的AR基因集得分均低于WT组的luminal progenitor

（4）对Pten与Pten cx组的intermediate细胞进行重聚类，共得到6个亚群

• C3主要来自Pten组
  • C3高表达AR相关基因，靠近differentiated luminal
• C0、1、2、4主要来自Pten cx组
  • C1表达basal相关基因，靠近basal
  • C1与C4高表达翻译与增殖相关基因
• 6个亚群的AR分数与增殖翻译与增殖分数呈负相关

（5）加入新的单细胞测序数据

• 3只Castration处理的WT小鼠取样测序
• 后续简称WT cx

（6）WT cx的luminal类似Pten cx的intermediate高表达翻译相关基因，但是低表达增殖相关基因，表明可能与Pten相关

5、Castration intermediate cell预后signature

（1）基于人类前列腺癌数据定义androgen deprivation therapy(ADT) resistance相关基因集

（2）Pten与Pten cx的intermediate cell差异基因GSEA分析显著富集上述基因集

（3）上述基因集相关的Top 5 上调基因(Pten cx)包括ATP1B1、BST2、CP、IGFBP3、PTTG1，经深入分析具有如下特征：

• 在Pten组的intermediate亚群均低表达
• 在resistance to ADT的human tumor样本中显著高表达
• 这些基因的(任一)高表达与较差的预后相关
• 这些基因在人类转移性前列腺癌中高表达

6、Castration引发的免疫细胞变化

（1）相比Pten组，Pten cx组的3种巨噬细胞以及CD8+ T比例均显著下降；

（2）结合Pten cx组低表达的配受体通讯，分析上述比例下降的原因；

（3）TNF的配受体细胞通讯在Pten CX组中特异性高表达。

7、抑制翻译对Castration的杀伤作用

（1）加入新的单细胞测序数据

• Pten小鼠在4月龄经doxycycline(抑制翻译)给药与castration处理，待6月取样测序
• 后续简称Pten cx 4ebp1

（2）Pten cx 4ebp1与Pten cx的上皮细胞比例与分布无明显差异；

（3）transgene-positive的Pten cx 4ebp1与Pten cx的basal差异分析发现465个差异基因，进一步分析上调（细胞周期阻滞，细胞凋亡）、下调通路

（4）与Pten cs相比，Pten cx 4ebp1显著差异的配受体通讯(Tnf, Egfr)