SMI新作：基于良性和恶性肿瘤的单细胞空间图谱绘制黑色素瘤进展和预后模型
01｜文章详情
文章题目：Melanoma progression and prognostic models drawn from single-cell, spatial maps of benign and malignant tumors
中文题目：基于良性和恶性肿瘤的单细胞空间图谱绘制黑色素瘤进展和预后模型
影响因子：11.7
期刊：Science advances
DOI ：10.1126/sciadv.adm8206
02｜摘要
黑色素细胞肿瘤包括良性（如痣）和恶性（如黑色素瘤）两种形式。痣和黑色素瘤可能有相似的驱动突变，但黑色素瘤中含有大量未完全了解的致癌突变。对黑色素瘤相关基因表达的理解依赖于RNA测序技术，然而该技术缺乏空间信息，无法洞察如细胞与淋巴血管的接近程度、肿瘤-基质边界或淋巴细胞浸润等因素。
加州大学的研究人员利用SMI技术分析了10个患者来源的肿瘤样本，包括三个皮内痣、四个原发性侵袭性黑色素瘤和三个皮肤转移瘤。通过对203472个细胞的空间基因表达聚类分析，筛选出在黑色素瘤中高表达的基因包括PRAME、CDK2、MKI67、CENPF等。这些基因在良性和恶性黑色素瘤中的空间分布不同，并在恶性黑色素瘤中呈现出协同表达的特点，且与患者的较差预后显著相关。
03｜研究思路
04｜主要结论
1. 基于SMI数据识别出黑色素瘤中CDK2等增殖基因特征
将203472个细胞映射到11个无监督Leiden聚类中，在无监督的Leiden簇中，簇8（黑色素转移瘤样本）具有显著的MKI67和CENPF表达，以及CDH1(钙粘蛋白-1)、CDK2(细胞周期蛋白依赖性激酶2)、生长因子信号传导途径组分AKT等。使用Human Cell Atlas (HCA)皮肤单细胞表达数据集作为细胞类型参考，识别到八种不同的肿瘤性黑色素细胞类型。进一步基因共表达分析显示，MKI67、CDK2和CDH1分布在同一表达区域，特别是在活跃分裂的肿瘤区（簇h）。此外，通过相关性分析，发现CENPF和CDK2与MKI67的表达具有显著的正相关性。
2. CDK2在良性与恶性黑色素瘤的肿瘤-基质边界中差异表达
通过可视化黑色素细胞肿瘤中CDK2的表达，发现CDK2在真皮-表皮交界处和痣的浅表真皮黑色素细胞巢中表达。然而，在痣中CDK2表达随着真皮深度逐渐减少，而在黑色素瘤中，CDK2在深层肿瘤-基质边界处保持相对较高的水平。随后使用了一个由59个痣和69个原发性黑色素瘤组成的患者来源肿瘤样本组的组化验证，发现蛋白水平也是显著差异表达的。
3. 空间分析揭示了良性与恶性黑色素瘤的增殖和代谢基因表达分布特征
为减少肿瘤间分析潜在的混杂因素，该研究在一个同时具有黑色素瘤和痣部分的单一肿瘤中进行了肿瘤内分析。通过组织形态学和免疫组织化学分析，确认了黑色素瘤中高表达PRAME、CDK2和S100A8。随后进行了痣（簇a, N=3861cells）和黑色素瘤（簇e, N=5132cells）的差异表达分析，并定量确认在黑色素瘤中PRAME和IFI27显著差异表达。使用Lee's L空间关联分析评估恶性肿瘤中的基因表达，发现炎症和免疫调节基因HLA-B等上调，表明这个微环境区域引发了相对更大的先天免疫反应。将 PRAME以及免疫调节基因HLA-B和代谢基因FABP5映射到肿瘤中，确认了它们在良性和恶性黑色素瘤中的差异空间表达。
4. MKI67、CDK2和FABP5的差异表达可预测黑色素瘤患者的生存率
通过Kaplan-Meier和Cox分析显示了473名TCGA患者的生存情况。发现MKI67、CDK2和FABP5表达增加与患者生存率下降显著相关。使用UMAP发现MKI67、CDK2和FABP5在恶性和转移性黑色素瘤细胞簇中富集，而在痣中则减少。在蛋白水平上以及在独立的淋巴结转移样本组中证实了CDK2和FABP5表达增加。
在黑色素瘤 IGR37和 UACC-257细胞系中，通过CDK4/6抑制剂abemaciclib与（DMSO）对照在体外进行细胞周期抑制。结果显示，在abemaciclib处理的细胞中细胞增殖标记MKI67表达丧失，FABP5部分丧失，CDK2表达变化相对较小，表明CDK2表达在细胞增殖状态之前。
05｜总结
这篇研究文章利用新一代单细胞空间SMI技术，生成了良性、恶性黑色素瘤的基因表达图谱，通过Leiden聚类分析，识别出包括CDK2、MKI67、CDH1和FABP5等增殖基因特征，并发现这些基因在黑色素瘤的分裂活跃部分高度共表达。通过空间分析，研究揭示了良性与恶性黑色素瘤中的增殖和代谢基因表达分布特征，特别是在黑色素瘤中发现了PRAME和CDK2的显著差异表达。此外，Kaplan-Meier生存分析和Cox回归分析显示MKI67、CDK2和FABP5的高表达与黑色素瘤患者的不良预后显著相关。通过细胞周期抑制发现CDK2表达在细胞周期之前。这些发现揭示了增殖基因在黑色素瘤中的关键作用，未来的研究可以进一步利用空间转录组学技术，揭示黑色素瘤微环境中的分子机制，推动新的治疗靶点的发现。
