BIOPIC汤富酬教授/文路副研究员与合作者揭示垂体瘤转录组特征

垂体是最重要最复杂的内分泌腺体之一,主要由五种激素细胞组成,包括生长激素细胞、催乳素细胞、促甲状腺素细胞、促肾上腺皮质激素细胞和促性腺激素细胞,在生长发育、代谢调节、生殖以及应激等生理过程中发挥重要作用。每种激素细胞都有可能异常增殖形成肿瘤,即垂体神经内分泌肿瘤(Pituitary neuroendocrine tumors,PitNETs),又称垂体腺瘤或垂体瘤,是第二大常见的颅内肿瘤,大约占颅内肿瘤的10%~16%。基因组学研究发现40~60%的生长激素瘤有GNAS基因突变,40~60%促肾上腺皮质激素瘤有USP8突变,但60%垂体瘤未发现基因突变,病因不明。

垂体瘤细胞中哪些基因的表达水平发生了异常变化?传统转录组学未能有效解决这个问题。这是由于正常垂体组织中,五种类型的激素细胞互相混杂,传统的群体细胞转录组学所检测到的实际是“平均激素细胞”。由于缺乏正常对照信息,群体细胞转录组学难以准确鉴定垂体瘤细胞中发生的基因表达变化。另外,多激素垂体瘤和侵袭性垂体瘤是否存在瘤内细胞异质性,也是尚未研究清楚的问题。

北京大学生物医学前沿创新中心汤富酬教授和文路副研究员,与北京天坛医院神经外科周大彪主任合作,在Neuro-oncology杂志在线发表(2021年4月28日)题为“Single-cell transcriptome and genome analyses of pituitary neuroendocrine tumors”的研究论文。该研究对21个病人的23例垂体瘤组织样本进行了单细胞转录组测序(2679个细胞),并对其中5例组织进行了单细胞多组学测序(238个细胞),为深入理解上述问题提供了新的视角(图1)。该研究论文的主要发现包括:

图1.垂体瘤病人临床信息

1)通过单细胞转录组的无监督式聚类可区分所有垂体瘤亚型,与临床基于免疫组织化学的分类结果一致(图2)。单细胞转录组测序还提供了一些新的有趣信息。例如,一例垂体瘤(P11)同时表达促肾上腺皮质激素细胞关键转录因子T-PIT(TBX19)与促性腺激素细胞关键转录因子SF-1(NR5A1),其细胞在线性降维空间中位于两个谱系之间,显示其处于一种中间状态。另一例垂体瘤(P14)被临床诊断为零细胞垂体瘤,与促性腺激素瘤聚类,提示其细胞来源可能是促性腺激素细胞。

图2.所有肿瘤细胞及重要转录因子的表达在PCA图中的映射

2)我们分离鉴定出了三种正常垂体内分泌细胞:生长激素细胞、催乳素细胞和促性腺激素细胞,首次获得这些成体垂体激素细胞类型的单细胞转录组图谱。与相应肿瘤细胞类型比较,我们全面鉴定了生长激素垂体瘤、促性腺激素垂体瘤和催乳素垂体瘤的肿瘤差异表达基因谱(图3A-3D)。生长激素瘤的差异表达基因以上调为主(76.1%, 283/372),而促性腺激素瘤的以下调为主(84.3%, 542/643)。生长激素瘤上调的基因中富集分泌相关基因如SCG3,可能与该肿瘤类型的功能亢进特征有关。促性腺激素瘤下调基因中包括LHB和GNRHR等激素相关基因,与该肿瘤类型往往功能沉默有关;下调基因中还富集细胞周期负向调控基因如CDKN2A,表明该肿瘤类型发生了细胞增殖失调。值得指出,研究鉴定出了新的垂体瘤相关基因,如AMIGO2,在生长激素瘤与促性腺激素瘤中表达显著增高(图3E)。

图3.A-D,垂体瘤肿瘤细胞和相对应的正常细胞的差异表达基因(A-C)和GO分析(D)。E,垂体瘤肿瘤相关基因在所有细胞中的表达水平

3)通过单细胞转录组分析,证实多激素垂体瘤中,多种激素相关基因及转录因子在单个细胞中共表达,未发现瘤内异质性(图4)。在侵袭性瘤中,也未发现明显的瘤内异质性。

图4.PIT-1谱系垂体瘤和多激素垂体瘤中单细胞水平的激素相关基因表达

4)单细胞多组学分析表明,即使是基因组拷贝数紊乱的垂体瘤,单细胞层次也具有基本一致的拷贝数变异模式,表明其为单克隆起源(图5A)。但我们也鉴定到了少量的瘤内基因组拷贝数变异异质性(图5B)。

图5.P20(A)和P21(B)垂体瘤患者肿瘤细胞中的基因组拷贝数变异(CNV)情况

总之,本研究首次从单细胞水平上对垂体瘤转录组和基因组进行了较全面分析,解析了瘤间与瘤内异质性,鉴定了新的垂体瘤相关基因,为阐释垂体瘤发病机理与发现治疗靶点提供了新的线索。

北京大学生物医学前沿创新中心崔月利博士、博士生蒋振寰、博士后张书博士和北京天坛医院博士生李超为本文共同第一作者。北京大学未来基因诊断高精尖创新中心、生物医学前沿创新中心、生命科学学院汤富酬教授和文路副研究员,与北京天坛医院神经外科周大彪主任为该论文的共同通讯作者。该研究项目得到了国家自然科学基金委和北京大学未来基因诊断高精尖创新中心的支持。

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