​Science | 分子表型分析揭示巴雷特食管细胞起源及其向食管腺癌的恶性转变

撰文 | Qi

责编 | 酶美

化生（Metaplasia）是一种已分化细胞转变成了另一种类型的分化细胞，通常与恶性肿瘤风险增加有关，通常发生在不同上皮类型相遇的部位，例如鳞状柱状交界处 (squamo-columnar junctions, SCJ)。巴雷特食管(Barrett’s esophagus, BE)就是一种典型的化生性疾病，包含胃和肠细胞类型的镶嵌，其发展为食管腺癌 (esophageal adenocarcinoma, EAC) 的风险增加，该病的5年总生存率仅为15%。EAC的腺状表型被认为与BE密不可分，然而，大约 50%的EAC患者在诊断时并没有BE的证据【1】，因此对EAC来源于BE的说法提出了质疑。

图：H&E染色提示小肠上皮细胞鳞状至柱状细胞化生

这种争议可以通过确定BE的起源来解决，BE被认为可能起源于食管黏膜下腺体 (esophageal submucosal glands, SMG)或胃食管交界处 (gastroesophageal junction, GEJ)的各种特定细胞群【2】，然而，研究存在一个主要障碍，用于谱系追踪的小鼠模型与人类胃食管的生理特征并不完全相似，且直接从人体组织中分离新鲜的SMG也具有挑战性。因此，截至目前，EAC和BE的细胞来源仍然是谜。

不久前，来自英国剑桥大学的Rebecca C. Fitzgerald团队在Science杂志上发表了一篇题为Molecular phenotyping reveals the identity of Barrett’s esophagus and its malignant transition 的文章，这项研究分别从健康和患病人体采集了跨食管-胃连接处的组织样本，通过单细胞转录组分析、甲基化谱系追踪、开放染色质和体细胞突变分析以及类器官模型的功能研究的组合表明，BE通过 c-MYC和HNF4A驱动的转录程序起源于胃贲门。此外，该研究还表明即使没有病理学可识别的化生前体，EAC也可能源自未分化的BE细胞类型，提出了对EAC的早期筛查策略。

SMG和GEJ虽然被研究为BE的起源，但从未被分离出来具体分析。研究人员从人类无病供体中分离出新鲜SMG和SCJ组织，通过scRNA-seq对所有细胞类型进行表征。在SCJ组织中，除了预期的食管鳞状细胞和胃柱状细胞外，还存在一个小的KRT7^high群体，当将SCJ单细胞转录组谱与来自正常食道 (NE)、正常胃贲门 (NG) 和正常SMG的数据进行比较时，这组KRT7^high群体与SMG细胞表现出最高的相似性，提示这两种细胞可能共享同一起源。

在确认了SMG和SCJ细胞类型之后，作者进一步对包含无病和BE供体的七个不同组织部位43个样本的43000个细胞进行scRNA-seq分析。在BE样本中，除了先前已经表征的细胞类型，作者还确定了一种未分化的BE细胞类型。通过层次聚类重建所有细胞类型的谱系关系，BE细胞与与NG细胞表现出最强的相似性。为了更加深入的了解这种相似性，作者使用三种谱系追踪方法，即甲基化谱系追踪、ATAC-seq和全基因组测序，进一步证明了NG和BE细胞具有最相似的甲基化图谱、染色质可及性特征，甚至在五分之四的BE患者中发现的突变均在BE和NG之间共享。

为了研究BE发展的转录机制，作者对BE和NG分化不同阶段之间的差异表达基因进行了GSEA分析，并推断每种组织的未分化细胞之间的差异可能是BE发展的关键。NG和BE未分化表型的差异分析确定了BE中CDX1、CDX2 和 MYC 模块的激活，而BE柱状分化细胞与未分化细胞的进一步比较显示，前者的转录因子HNF4A被激活，后者的MYC被激活。在蛋白水平上，66份肠化生BE活检中的61份检测到c-MYC，且表达仅限于隐窝底部，而所有64份正常胃活检样本中均无c-MYC表达。类似地，66份BE活检和64份胃活检均呈现HNF4A阳性，但仅限于BE隐窝的前三分之二，恰好与c-MYC相反。为了阐明这些发现的功能相关性，作者从无病NG组织中建立了类器官培养物，并分别转导了GFP标记的c-MYC和HNF4A。c-MYC 的异位表达导致未分化 BE 细胞特征基因的上调，而HNF4A导致更广泛的BE基因组上调，提示c-MYC和HNF4A在胃细胞中的异位表达驱动了与BE相关的基因表达上调（图1）。

图1. a. BE和NG活检中MYC和HNF4A在单个隐窝中免疫组化染色结果；b-c. NG类器官的产生和慢病毒转导

考虑到BE存在与否与EAC的预后有关【1】，那么是否所有EAC都来源于BE呢？作者通过对食管癌的大量RNA-seq数据进行分析【4-6】，发现EAC与BE 细胞的相似性与其临床特征无关。在从BE到EAC的过渡期间，分化的BE细胞基因表达降低，而未分化的基因则保持不变，这些结果提示即使诊断或病理标本中BE化生情况不明显，EAC也来自于一个统一的化生前体起源（图2）。

图2. 上图展示了分化或未分化BE的转录组与其他样本细胞的相似性（EAC ^+/- 分别代表有无BE）；下图为EAC进展模式图

总的来说，这项研究表明，来自贲门的未分化胃细胞通过由c-MYC和HNF4A驱动的转录程序产生BE，EAC可能通过BE样化生来自于胃细胞，但其进化轨迹和预后可能因患者而异。这项研究实现了对健康和患病个体新鲜分离的人类细胞进行全面的多组学分析，虽然转录相似性可能并不能直接证明因果关系，但也为BE的胃起源提供了几个正交证据，能够为进一步研究以及制定临床早期检测和预防癌症策略提供帮助。

针对这项研究，同期杂志上发表了观点文章：The cell of origin for Barrett’s esophagus。文章认为由于BE的鉴定和EAC的监测有其局限性，更好地了解起源细胞和参与化生进展的过程有助于鉴定EAC的生物标志物，Nowicki-Osuch等人发现无论有无BE病理特征或临床表现，EAC可以表达未分化BE细胞的标记，这可能指向具有恶性转化潜力的特定前体病变：如果可以证实 EAC 中存在未分化的BE细胞，而与化生的存在无关，这可能导致筛查程序的急剧转变，从而更多地关注反流和由此产生的分子变化的检测，而不是检测BE。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.abd1449

制版人：十一

参考文献

1. T. Sawas et al., Gastroenterology 155, 1720–1728.e4 (2018).

2. S. J. Leedham et al., Gut 57, 1041–1048 (2008).

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