Nat Commun丨曹俊越/周偉團隊構建泛癌單細胞多組學圖譜，解析跨癌種細胞狀態與黑色素瘤免疫差異

不同癌癥來自不同組織、攜帶不同基因組改變，卻常常表現出相似的細胞狀態轉變，例如去分化、侵襲和耐藥。這些跨癌種共性究竟由怎樣的調控網絡驅動？體外培養的癌細胞，又能在多大程度上保留與患者腫瘤微環境和治療反應相關的內在程序？

近日， The Rockefeller University曹俊越與周偉團隊（博士生許子涵與 MD-PhD 學生 Aileen Ugurbil 為共同第一作者）在Nature Communications發表 題為Single-cell multimodal profiling of pan-cancer cell lines uncovers gene regulatory principles underlying intrinsic cell states and environmental features的 研究 論文 。團隊利用EasySci平臺，對覆蓋16種組織來源、20種癌癥類型的60個細胞系進行單細胞轉錄組和染色質可及性分析，構建了包含超過46萬個單細胞圖譜的泛癌多組學資源。研究由此解析出跨癌種共享的上皮—間質轉化調控軸，并進一步揭示肢端型與皮膚型黑色素瘤在炎癥狀態、腫瘤微環境及免疫治療反應方面的系統性差異。

從表達結果追溯到調控結構

以往的大規模癌癥圖譜主要依賴基因突變、拷貝數變化或整體組織的轉錄組數據。它們能夠描述癌癥之間的差異，卻難以分辨同一細胞系內部的狀態異質性，也難以將基因表達變化追溯到上游染色質和轉錄因子網絡。癌細胞系則提供了一個相對可控的系統。由于沒有免疫、基質和血管細胞混雜，研究者可以更直接地觀察癌細胞內在的調控程序。但既往細胞系圖譜大多局限于單一分子模態或有限細胞數量，難以系統重建跨癌種的基因調控網絡。

為解決這一問題，研究團隊使用基于組合索引的 EasySci-RNA 和 EasySci-ATAC ，分別獲得 240,957 個單核轉錄組和 223,347 個單核染色質可及性圖譜。即使在相似的體外培養條件下，不同細胞系仍保留了鮮明的組織來源特征，例如黑色素瘤中的 TYR 和 PAX3 、肺癌中的 NKX2-1 和 SFTPB ，以及前列腺癌中的 AR 。

圖 1 . 研究團隊利用組合索引策略，對 60 個泛癌細胞系平行開展 EasySci-RNA 和 EasySci-ATAC 分析，從同一實驗框架讀取轉錄狀態與染色質可及性。

跨越組織來源的共同狀態：泛癌EMT調控軸

研究團隊進一步將 RNA 和 ATAC 數據整合為多模態 “meta-cell” ，將轉錄因子、順式調控元件和下游靶基因連接起來，構建泛癌基因調控網絡。分析共識別出 85,670 條染色質調控元件與靶基因之間的關聯，并根據 92 個激活型轉錄因子調控模塊，將細胞系劃分為 8 類調控狀態。其中 5 類主要反映組織和譜系來源，例如神經母細胞瘤中的 PHOX2B/HAND2 、前列腺癌中的 AR/FOXA1 以及黑色素瘤中的 MITF/SOX10 。另 3 類卻包含來自乳腺、肺、腎、結腸、卵巢和子宮等不同組織的癌細胞，依次對應上皮、中間和間質狀態。這說明，上皮 — 間質轉化（ EMT ）并非局限于某一種癌癥，而是一個跨越組織來源的連續調控軸。隨著細胞向間質狀態移動， ZEB1 、 FOSL1 和 TEAD3 等調控程序逐漸增強，而 GRHL2 、 CEBPB 和 FOXC1 等維持上皮狀態的程序逐漸減弱。該結果也在獨立細胞系數據中得到驗證，說明研究捕獲的不只是表達相似性，而是一套可以跨平臺復現的調控結構。

拷貝數變化如何推動細胞狀態重編程

在此基礎上，研究團隊追問：癌細胞常見的拷貝數變化，是否會通過改變轉錄因子劑量來推動狀態轉變？泛癌分析顯示，處于激活狀態的轉錄因子比其下游靶基因更容易發生擴增，提示 “ 轉錄因子擴增 — 調控網絡過度激活 ” 可能是癌細胞狀態重編程的一種普遍機制。研究進一步找到位于 11 號和 20 號染色體的兩個拷貝數熱點區域，其擴增與上皮狀態相關。20 號染色體熱點中的 CEBPB 尤其突出。計算模擬顯示，敲除 CEBPB 會使上皮型細胞向間質狀態偏移；外部 ChIP-seq 、 CRISPRa 和 Perturb-seq 數據則從轉錄因子結合、靶基因激活和功能擾動等層面支持 CEBPB 維持上皮身份的作用。與此同時， 11 號染色體熱點并非由單一主調控因子驅動，而更可能是多個基因劑量效應共同塑造細胞狀態。這些拷貝數特征還與藥物敏感性相關。攜帶上述擴增的細胞系對 afatinib 等 EGFR 通路抑制劑表現出更高敏感性，與間質化通常伴隨 EGFR 抑制劑耐藥的既有認識相一致。

肢端型與皮膚型黑色素瘤呈現相反的炎癥調控景觀

在泛癌圖譜中，研究團隊特別納入了此前資源中代表不足的肢端型黑色素瘤。與常見皮膚型黑色素瘤相比，肢端型黑色素瘤通常發生于手掌、足底和甲下等缺乏紫外線暴露的部位，其分子特征和免疫治療反應仍缺少系統認識。分析顯示， JAK–STAT 信號是區分兩種黑色素瘤的核心軸。肢端型黑色素瘤表現出一致的炎癥抑制狀態，其調控網絡以 MITF 、 SOX10 等黑色素細胞譜系因子為主，并富集 IGF 、 ATM 和 TGF- β 相關程序。皮膚型黑色素瘤則呈現更活躍的炎癥景觀，由 AP-1 家族、 RUNX1 和 IRF1 等轉錄因子主導，伴隨更強的干擾素和應激反應。

從癌細胞內在程序到腫瘤微環境

這一差異不僅存在于體外細胞系。患者數據中，肢端型特征較強的腫瘤與較少的細胞毒性 NK 細胞、 CD8 效應記憶 T 細胞和 Th1 細胞相關，同時與更多調節性 T 細胞相關。患者單細胞數據也顯示，肢端型黑色素瘤中的效應 T 細胞和 NK 細胞毒性程序減弱，而免疫抑制和耗竭程序增強。跨細胞區室的配體 — 受體分析進一步將 TGF- β 指向肢端型黑色素瘤免疫抑制環境的候選連接因素：腫瘤微環境中的 TGFB1 和癌細胞中的 TGFBR1/SMAD2 程序同時增強。相比之下，皮膚型黑色素瘤則表現出更活躍的 IFN/JAK–STAT 信號和抗腫瘤免疫環境。

從內在調控程序走向治療反應分層

研究團隊最后檢驗了這些調控網絡是否與患者治療結果相關。僅使用肢端型或皮膚型黑色素瘤的整體表達特征時，并不能穩定區分免疫治療響應者和非響應者；但當特征被限定為亞型特異轉錄因子的下游靶基因后，分層能力明顯增強。這一基于調控網絡的評分能夠在多個免疫治療隊列中區分治療反應，并在接受過抗 CTLA-4 、隨后接受抗 PD-1 治療的患者中關聯到無進展生存和總生存。結果提示，相比一組差異表達基因，包含上游調控關系的信息可能更接近決定治療反應的生物學結構。

這項研究提供的不只是一張癌細胞系表達圖譜，而是一套連接染色質狀態、轉錄因子、細胞表型、腫瘤微環境和治療結局的分析框架。它表明，不同組織來源的癌細胞可以匯聚到共同的 EMT 調控軸；基因組擴增能夠通過轉錄因子劑量和多基因協同效應重塑細胞狀態；體外模型中穩定保留的癌細胞內在程序，也可能映射到患者腫瘤的免疫環境和治療反應。

同時，這些結果仍需在更廣泛的原發腫瘤、患者來源模型和前瞻性臨床隊列中驗證。細胞系不能完整重現免疫、基質和空間環境，配體 — 受體分析目前也主要用于提出候選機制。因此，這一資源更適合作為發現調控規律、生成可驗證假設和篩選候選生物標志物的起點。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75360-7

制版人：十一

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