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[文献解读] Nat Comm | 单细胞水平解析肿瘤微环境的细胞代谢图谱

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    发表于 2019.9.17 14:42:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
    癌细胞的疯狂生长需要大量的能量和物质基础,并且依赖于各种代谢途径,例如糖、核酸、氨基酸、脂质代谢等。癌细胞特化出有异于正常细胞的代谢模式,以满足肿瘤的生长需求、维持氧化还原平衡的细胞环境、影响细胞之间的通讯。以往对肿瘤代谢的研究都是基于人体或模式动物的病变组织,其研究结论综合了组织中所有细胞的遗传和环境的因素的平均效应。然而肿瘤是一个复杂的组织,不同类型的非肿瘤细胞围绕在肿瘤细胞周围共同构成了肿瘤微环境,例如成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞、巨噬细胞等。这些非肿瘤细胞对于肿瘤细胞的增殖至关重要,例如成纤维细胞可以分泌细胞生长因子、趋化因子促进肿瘤细胞生长和迁移,内皮细胞可以形成血管为肿瘤细胞输送营养成分。

    不同的细胞类型为了行使各自的功能,往往采取不同的代谢模式。同时由于不同的肿瘤存在差异(肿瘤间异质性),同一肿瘤内部的细胞之间也存在差异(肿瘤内异质性),肿瘤内的细胞会改变自己的代谢模式来适应这种差异,我们称这种代谢的改变为“代谢重编程”。目前大部分关于肿瘤微环境内细胞的代谢研究都是基于体外培养的细胞系,或者只针对单个代谢酶在肿瘤微环境中的作用。我们对肿瘤微环境内单细胞水平的代谢的了解依然是空白。
    细胞内的代谢网络取决于两个关键因素:代谢物质的浓度和在代谢通路中的流动。目前还没有有效的手段在单细胞水平上直接测定代谢物质的浓度和代谢流,但是可以间接地通过代谢基因表达来近似推断这部分信息。近年来兴起的单细胞基因组学技术开创了精准肿瘤的新时代,该技术可以快速地检测整个肿瘤组织中的每个细胞的代谢基因表达谱,从而可以为我们提供更多关于肿瘤微环境中肿瘤细胞和非肿瘤细胞代谢信息,使单细胞和基因组水平上理解肿瘤代谢的异质性成为可能。

    2019年8月21日,美国杜克大学Jason Locasale课题组(肖正涛博士为第一作者,戴紫薇博士和Locasale博士为共同通讯作者)在Nature Communications杂志上发表文章“Metabolic landscape of the tumor microenvironment at single cell resolution”,该研究首次在单细胞水平上解析了肿瘤微环境内的细胞代谢特征。   



    该研究团队建立了一套生物信息分析流程(如图1),用于分析单细胞水平的肿瘤细胞内的代谢基因表达谱、肿瘤细胞和相邻非肿瘤细胞的代谢通路的活性、各类细胞中代谢基因表达的异质性、特定细胞类型的代谢重编程。


      图1. 单细胞代谢基因表达谱分析流程


    利用已发表的黑色素瘤(melanoma)和头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)的单细胞表达谱数据,作者通过对不同细胞的代谢基因表达谱进行聚类分析,发现肿瘤细胞的代谢基因具有非常强的可塑性,不同病人来源的肿瘤细胞表现出不同的代谢表达谱特征。然而肿瘤微环境内的不同类型的非肿瘤细胞的代谢基因表达并不受病人来源的影响,不同细胞类型具有各自独特的表达特征。(图2)


    图2. 肿瘤细胞和非肿瘤细胞的代谢基因表达谱聚类分析


    为了进一步比较不同细胞类型之间代谢的差异,作者计算了每个代谢通路的活性值,结果显示不同的细胞类型的代谢通路活性存在显著差异(图3)。相比于肿瘤微环境内的非肿瘤细胞,肿瘤细胞表现出代谢通路活性整体上调的情况。此外通过比较黑色素和头颈部鳞状细胞癌共有的细胞类型,我们发现肿瘤细胞、T细胞、内皮细胞和巨噬细胞在两种类型的肿瘤中具有相似的代谢特征,而B细胞和成纤维细胞的代谢通路活性却不尽相同。


    图3. 肿瘤微环境内不同类型细胞间代谢通路的活性比较


    同时作者还发现相比于传统的基于整个肿瘤组织的基因检测方法,单细胞水平的代谢检测具有更强的分辨率,结果显示肿瘤组织内部的癌细胞和非肿瘤细胞在单细胞水平上表现出更强的代谢异质性。(图4)



    图4. 单细胞水平上研究代谢通路的活性和异质性具有更高的分辨率


    接着作者基于主成分分析(PCA)和富集分析(GSEA)比较了肿瘤细胞(图5)和非肿瘤细胞内(图6)的代谢途径的异质性,发现氧化磷酸化途径和三羧酸循环途径的异质性强于其他的代谢途径。这两个代谢途径都发生在线粒体内,表明线粒体活性的变异是造成肿瘤细胞代谢差异的主要因素。



    图5.肿瘤细胞的代谢通路的异质性分析




    图6. 肿瘤微环境内非肿瘤细胞的代谢通路的异质性分析


    肿瘤微环境内的非肿瘤细胞还可以分化出不同的亚型,这个过程涉及到代谢的重编程。作者利用单细胞的代谢基因表达数据分析了不同细胞亚型之间代谢特征(图7)。例如T细胞可以分化为CD8+和CD4+亚型,后者可以进一步分为调节性T细胞(Treg)和辅助性T细胞 (Th)。作者发现CD4+ T细胞内的氧化磷酸化途径的表达活性显著高于CD8+ T细胞。调节性T细胞(Treg)内的糖酵解途径和氧化磷酸化途径的表达活性显著高于辅助性T细胞(Th)。这些结果表明非肿瘤细胞分化过程伴随着代谢重编程,导致不同亚型细胞具有不同的代谢特征。


    图7. 肿瘤微环境内非肿瘤细胞亚型具有不同的代谢特征


    综上,该工作首次通过单细胞表达数据解析了肿瘤微环境中的代谢基因表达图谱,比较了不同细胞类型、细胞亚型的代谢特点和代谢通路的异质性,揭示了肿瘤代谢异质性在单细胞水平上表现出的与组织水平上的显著区别,表明单细胞水平上的研究对于深入理解肿瘤微环境的代谢异质性至关重要。同时,该工作建立的生物信息分析流程可以用于分析其他肿瘤类型的代谢微环境。对肿瘤微环境内代谢的准确定量和分析将有助于在分子机理层面进一步理解肿瘤微环境在肿瘤发生发展过程中的作用。

    原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-11738-0

    文章转自微信公众号:BioArt

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    我的意中人是一个盖世英雄,有一天他会踩着七彩祥云来娶我……
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