上海交大刘宁宁等团队揭示肺癌瘤内微生物组与宿主在单细胞水平相互作用机制
上海交大刘宁宁等团队揭示肺癌瘤内微生物组与宿主在单细胞水平相互作用机制
近年来，以真菌为代表的多形态微生物组被界定为癌症新标志，是人类对癌症认知的重大突破。《自然》和《细胞》杂志报道，不同肿瘤组织内都存在特异真菌，真菌与癌症的发生、发展和治疗疗效密切相关，因此，真菌既可作为癌症诊断标志物，也有望成为新型治疗靶点。然而，真菌与癌症发生的因果关系及机制仍未明确，尤其是对于肺癌这一全球新发和死亡病例数均位居首位的癌种，关于其瘤内微生物组结构和功能的研究仍处于起步阶段。前期研究揭示了瘤内真菌诱导免疫抑制微环境促进肺癌发展的分子机制，同时证实肿瘤内富集的聚多曲霉与肺癌患者不良结局正相关[1]。但关于肺癌发展过程中瘤内微生物组如何与宿主单细胞相互作用的分子机制，目前尚不清楚。
为深入探究瘤内真菌、细菌与肿瘤形成的“跨生物域”复杂生态系统，近日，上海交通大学医学院单细胞组学与疾病研究中心刘宁宁团队、郑小琪团队和同济大学附属东方医院吴文娟团队在hLife上发表了题为“Dissection of intratumor microbiome–host interactions at single-cell level in lung cancer”的文章，对肺癌肿瘤内的真菌、细菌和宿主细胞在单细胞水平的相互作用进行了大规模分析，并探讨了瘤内微生物组影响肺癌发展和转移的潜在机制。本研究整合了公开发表的6套共149个肺癌患者组织样本的单细胞RNA测序数据集（包含肺癌、癌旁和脑转移组织三种样本类型），利用SAHMI（宿主单细胞-微生物组互作技术）对单细胞转录组测序序列进行分析来识别与单细胞相关的微生物，通过排除潜在的污染和假阳性的微生物序列，同时去除多数据集整合的批次效应，最终确定了与单个宿主细胞相关的真实微生物序列。通过与对应组织的单细胞转录组联合分析，探究了单细胞分辨率下不同类型宿主细胞与肿瘤内特定细菌和真菌相互作用的潜在机制，为理解瘤内微生物组与肺癌发展的关系提供了新理论，有望发现新的癌症诊断和治疗靶点（图1）。
图1 瘤内微生物组影响肺癌发展和转移的单细胞互作机制研究
研究结果表明，宿主细胞组成在肺癌发展和转移过程中具有显著差异（图2）。肺癌组织中与细菌和真菌相关的宿主细胞比例与数量明显不同，在所有肺癌、癌旁和脑转移组织样本中，细菌相关宿主细胞的数量显著多于真菌相关宿主细胞数量；在肺癌原发病灶中真菌相关宿主细胞的比例相较于脑转移组织和癌旁组织而言是最高的，而脑转移组织中细菌相关细胞的比例则相较肺癌原发病灶和癌旁组织最高，即不同组织类型样本中细胞类型的比例存在差异，且真菌和细菌在不同细胞类型中的分布存在明显差异（图3）。
图2 利用SAHMI（宿主单细胞-微生物组互作技术）分析肺癌样本的宿主细胞相关微生物
图3 不同数据集和细胞类型中细菌和真菌相关细胞的差异分布
宿主细胞类型部分特异性基因的表达与特定细菌的存在有关，特定细菌的存在会通过调节与rRNA加工、细胞应激反应、RNA和蛋白质代谢等相关的多种通路的活性，显著影响其共定位或驻留宿主细胞的基因表达（图4）。当细菌存在时，B细胞将与单核细胞和浆细胞建立起新的细胞通讯，与上皮细胞和T细胞之间的通讯也明显增强；细菌的存在或缺失对宿主细胞不同T细胞亚型的基因表达存在影响，潜在的子宫肌瘤诊断生物标志物蛋白质蛋白1（PLP1）、被认为与乳腺癌和肾细胞癌肿瘤生长相关的纤维蛋白原链（FGB）、被报道有助于肺腺癌早期诊断的二肽基类肽酶6（DPP6）等基因都存在着较强的差异表达（图5）。
图4 宿主细胞类型特异基因的表达及其与特定细菌之间的联系
图５ 细菌的存在与否对不同亚型 T 细胞的细胞通讯和基因表达的影响
细菌和真菌对于宿主巨噬细胞部分基因的表达存在差异调控的现象，如PLP1在细菌相关的巨噬细胞中显著上调，却在真菌相关的巨噬细胞中下调（图6）。此外，本研究还发现部分微生物与肺癌患者的样本类型和吸烟状况有关，Flavobacterium在肿瘤组织中比在非肿瘤组织中更为丰富，尤其是在脑转移组织中；由于吸烟频率不同，Pichia，Saccharomyces，Pyricularia和Sugiyamaella等不同真菌在肿瘤组织和非肿瘤组织中的丰度也有所不同（图7）。
图６ 细菌和真菌对 M1 和 M2 型巨噬细胞基因表达的特异调控作用
图７ 肺癌特异单细胞相关微生物标志物的临床意义
综上所述，揭示瘤内宿主与微生物组在单细胞水平上的复杂相互作用可能成为探究肺癌发生、发展、转移和预后影响因素的新突破口，为今后临床上实现癌症个性化治疗提供了新线索。
参考文献
- Liu NN, Yi CX, Wei LQ, et al. The intratumor mycobiome promotes lung cancer progressionviamyeloid-derived suppressor cells.Cancer Cell 2023; 41(11): 1927-1944. e9.
本文原文来自hLife期刊