前列腺癌（PCa）是男性中最常見的惡性腫瘤，它的發(fā)生和發(fā)展與雄激素受體（AR）信號密切相關。雄激素剝奪療法（ADT）一直是局部晚期和轉移性腫瘤患者的主要治療方法。然而，盡管使用第二代抗雄激素藥物治療，如苯扎魯胺（ENZ）和阿比特龍，最初會限制腫瘤，大多數(shù)患者最終復發(fā)為轉移性去勢抵抗PCa（mCRPC）。

越來越多的證據(jù)表明，腫瘤微環(huán)境（TME）與 去勢抵抗性前列腺癌（CRPC）有關，腫瘤相關成纖維細胞（CAFs）是腫瘤基質中最豐富的細胞類型之一，呈現(xiàn)異質性與表型可塑性，在體外，iCAF（炎癥成纖維細胞）、myCAF（肌成纖維細胞） 和 apCAF （抗原呈遞類成纖維細胞）會根據(jù)培養(yǎng)條件進行相互轉化。然而，目前還不清楚CAFs 命運轉換和表型轉換是如何與疾病復發(fā)有關的。

烈冰生物合作伙伴中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所秦駿課題組聯(lián)合中山大學孫逸仙紀念醫(yī)院黃海以及中國人民解放軍陸軍特色醫(yī)學中心大坪醫(yī)院江軍團隊針對上述問題開展了系列研究，于近期在 Cancer Cell期刊發(fā)表了題為：Antiandrogen treatment induces stromal cell reprogramming to promote castration resistance in prostate cancer 的研究論文。烈冰生物參與了本研究中的單細胞測序和數(shù)據(jù)分析工作，下面我們一起了解一下本文的研究思路和結果解析部分～

發(fā)表日期：2023年5月

發(fā)表期刊：Cancer cell

影響因子：IF=50.3

“單細胞測序實驗設計”

實驗分組：

Pten基因敲除小鼠（無治療），4月齡；惰性前列腺腫瘤

Pten; Trp53雙基因敲除小鼠（無治療），3.5月齡；轉移性前列腺腫瘤

Pten基因敲除小鼠（2.5月齡去勢隨后2個月的ENZ治療）；對ADT部分敏感

Pten; Trp53雙敲除小鼠（2.5月齡去勢隨后2個月的ENZ治療）；去勢抵抗性前列腺腫瘤（CRPC）

采樣組織：小鼠前列腺

單細胞捕獲平臺：10X Genomics

主要技術手段：單細胞測序（scRNA-seq）、基因工程小鼠模型（GEMM）、小鼠造模（PDX）、 Bulk RNA-seq 、ChIP-seq 、ATAC-seq等

Novelbrain云平臺分析工具：

細胞聚類分析、subcluster分析、擬時序分析、差異基因表達分析、轉錄因子分析（SCENIC）、GSEA基因富集分析

【研究成果解析】

1 單細胞測序初步分析與細胞類型確認

研究者利用基因工程編輯小鼠，通過scRNA-seq來評估免疫、腫瘤和基質細胞的群體。為了保證后續(xù)分析的可靠性，研究者與烈冰的生信團隊對數(shù)據(jù)進行嚴格的質控，最終每個樣本平均得到6960個細胞，每個細胞平均檢測到2039個基因。通過細胞聚類分析，總共鑒定出11 個細胞大類。其中不同樣本中細胞類型的比例有明顯差異，表明了不同疾病階段的腫瘤內異質性。

非免疫細胞（CD45-）中，Pten; Trp53雙敲除小鼠（ADT治療，即CRPC組）中發(fā)生了上皮細胞和成纖維細胞-1數(shù)目的減少以及成纖維細胞-2數(shù)目的增加；免疫細胞群體（CD45+）中，Pten; Trp53雙敲除小鼠（ADT治療，即CRPC組）發(fā)生了中性粒細胞數(shù)量減少，并有單核細胞增多的趨勢，T 細胞組成的變化與小鼠前列腺的疾病狀態(tài)沒有明顯的相關性，支持小鼠PCa中的免疫抑制TME。

2 成纖維細胞重聚類鑒定出一個獨特的myCAF亞群

考慮到成纖維細胞的組成在Pten; Trp53雙敲除小鼠（ADT治療）中發(fā)生了較大的改變，研究者將成纖維細胞群體重聚類，得到5個亞群（c1-c5）。c1 和 c2 CAF類似于炎癥iCAF的特征、而c5 CAF 表現(xiàn)出肌成纖維細胞樣 CAF (myCAF) 的特征，c3 和 c4 呈現(xiàn)iCAF 和 myCAF 中間態(tài)的轉錄組特征，其中，c4和c5特異性出現(xiàn)在 Pten; Trp53雙敲除小鼠（ADT治療）組內，且c5群體特異表達Ptn。進一步的擬時序分析表明c4 和c5 CAF 源自c1-3 CAF。

使用Marker基因Col1a1，Ptn，Pdgfra區(qū)分CAF亞群，免疫熒光染色結果表明，c1-2和c4-5在使用ADT治療和非治療組中，占比存在顯著差異，PDXs造模實驗中也驗證了此結果，其中PDGFRα^- PTN⁺ COL1A1⁺ 代表的c4和c5 CAFs約占耐藥腫瘤中總CAFs的30%。

基于細胞分離、流式分選（FACS）、對分離CAFs的bulk-RNA測序、細胞共培養(yǎng)等實驗證明，與單獨接種或聯(lián)合接種c1-3 CAFs的PCa細胞相比，只有c5 CAFs對ADT顯著不敏感，因此作者將 c5 CAFs 命名為 CRPC-CAFs，而 c1-3 CAF 在后續(xù)研究中被稱為對照CAFs（C-CAFs）。

磁共振成像（MRI）分析顯示，CRPC-CAFs缺失導致的前列腺腫瘤平均體積減少約2-3倍，結果支持了CRPC-CAFs是導致CRPC的關鍵基質成分。

3 CRPC相關的SPP1+ myCAFs通過旁分泌激活ERK信號來抵抗ADT

為了明確CRPC-CAFs作用于PCa細胞的機制，作者進行差異表達基因聚類，分成6個cluster。有趣的是，Cluster3的基因在與CRPC-CAFs共培養(yǎng)時相對于C-CAFs明顯升高，通路分析表明Cluster3富集了參與MAPK-ERK（細胞外信號調節(jié)激酶）信號傳導的基因，基因集變異分析（GSVA）進一步證明了這一點。根據(jù)scRNA-seq數(shù)據(jù)篩選到了CRPC-CAFs特異的分泌因子Spp1，結合實驗驗證表明去除分泌的磷蛋白1（Spp1）完全消除了CRPC-CAFs引起的抗雄激素作用，表明Spp1基因敲除表達有利于前列腺腫瘤的治療。

通過PDX-313HR和PDX-WCSCR模型實驗方法，表明阻斷CAF衍生的SPP1會使PCa對ADT重新敏感。為了確定CRPC-CAFs的細胞起源，作者進行了譜系追蹤實驗，實驗表明了AR直接抑制了Tgfbr1啟動子的活性，AR被抑制后，釋放了TGF-β信號，將iCAFs轉化為SPP1+myCAFs。

4 TGF-β誘導的SOX4通過SWI/ SNF復合物依賴的染色質重塑促進CAF轉化

為了更好地理解ADT通過TGF-β信號通路形成CRPC-CAFs的機制，作者應用scRNA-seq數(shù)據(jù)，采用SCENIC算法，尋找CAFs狀態(tài)下的差異激活轉錄因子（TFs），選擇Sox11、Sox9、Sox4、Tbx15等并評估其功能，通過基因敲除實驗發(fā)現(xiàn)Sox4 基因具有促進胰腺癌腫瘤增大的功能，同時與ENZ和TGF-β1共處理時，Smad2在Sox4基因座啟動子區(qū)域的占用顯著增強。

轉錄組學分析顯示轉染表達SOX4的慢病毒導致了轉錄組的實質性變化使C-CAFs與CRPC-CAFs具有很強的相似性；此外，SOX4的上調導致了染色質可及性的深刻變化，表明SOX4通過基因組機制促進CAF極化，通過結合和表達靶點分析（BETA）整合mRNA-seq和SOX4 ChIP-seq，發(fā)現(xiàn)SOX4主要作為轉錄激活因子。

全文總結

研究團隊通過基因工程編輯小鼠、PDX小鼠等模型，利用單細胞測序技術，以及大量的功能實驗驗證，揭示了雄激素剝奪治療（ADT）誘導的SPP1+ myCAFs是驅動去勢抵抗性前列腺癌（CRPC）發(fā)展的關鍵基質成分，并深入研究了該群CAFs的起源與作用機制。作者提出，靶向CAF極化或旁分泌機制結合已建立的內分泌抗癌治療具有治療潛力，并有可能改善晚期PCa患者的治療結果。

本研究詳細信息參見原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ccell.2023.05.016

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