肺癌是全球最常见的恶性肿瘤，是导致死亡人数最多的癌症之一，其中肺腺癌（lung adenocarcinoma, LUAD）是最常见的肺癌亚型，制定个性化的治疗策略对降低肺癌死亡率具有重要意义。尽管已有研究使用单细胞测序技术对肺癌进行表征，但对肺癌发生发展过程中细胞状态的多样性、不同状态的细胞在肿瘤发展和治疗中的作用仍知之甚少。
2020年8月10日，麻省理工学院的研究团队在 Cancer Cell 上发表题为 Emergence of a high-plasticity cell state during lung cancer evolution 的文章，通过单细胞转录组技术，对小鼠模型肺腺癌发展的七个阶段进行分析，结果表明随着肺腺癌的发展，细胞异质性增加，存在一种高度混合的细胞群体，具有高度分化和增殖的能力，且其与患者的不良预后、小鼠化疗耐药性有关。
01 LUAD发展的特点是细胞异质性增加
在该研究中，研究人员从Rosa26LSL-tdTomato/+小鼠LUAD模型中富集tdTomato+/CD45−/CD11b−/TER119−/CD31−细胞进行单细胞测序。研究人员发现随着肿瘤的发生发展，细胞异质性增加，该现象在小鼠间具有显著的可重复性，晚期肺腺癌表达模式更具多样化。
为了探究晚期肺腺癌表型多样性和遗传异质性的关系，作者结合scDNA-Seq和scRNA-Seq的数据对拷贝数变异（copy number variation, CNV）进行分析，首先将 scDNA-Seq鉴定出的主要克隆型分配给 scRNA-Seq 细胞，结果表明具有高度相似的 CNV 模式的细胞对应不同clusters。这些结果说明细胞异质性增加在小鼠间具有显著的可重复性，细胞异质性增加不只和拷贝数变异相关。
02 确定了一种高可塑性的细胞状态
基因集富集分析结果表明部分clusters（6-10、12）具有肠和/或胃或胚胎肝脏上皮等特征，然而内胚层组织均源自胚胎原肠，说明有一部分细胞可能会变为其它类型细胞。为了探究转录程序和细胞状态转换的关系，使用了非负矩阵分解（Non-negative Matrix Factorization, NMF）算法，结果发现了1个“高度混合状态（Highly mixed）”的程序，将其与clusters联系起来，发现高度混合状态的程序主要富集在cluster 5中。接下来作者假设cluster 5为细胞转化的关键节点，和晚期肺腺癌细胞异质性增加相关。使用Waddington-OT算法对细胞状态转变进行表征，发现cluster 5与其余clusters连接紧密。基于上述结果，将cluster 5的细胞状态命名为“高度可塑的细胞状态”（high-plasticitycell state,HPCS），并且研究人员发现Tigit基因是HPCS的marker基因。
03 HPCS和患者不良预后相关
从20周小鼠模型中分选TIGIT+和 TIGIT–细胞进行scRNA-Seq和scATAC-Seq，结果表明HPCS中特征基因的染色质可及性增加，这意味着肿瘤可能将发生转移。接下来研究人员从3D肿瘤培养物中分离原代TIGIT+和 TIGIT–肿瘤细胞，通过scRNA-Seq表征移植前、移植后的肿瘤，结果发现由TIGIT+ HPCS衍生的肿瘤比由TIGIT-衍生的肿瘤更具多样性。将从肺腺癌小鼠中分离的TIGIT+和 TIGIT–细胞移植到受体小鼠中，发现HPCS 细胞比TIGIT-细胞长得更快更多。这说明分离的TIGIT+ HPCS细胞在体外和体内具有高度分化潜能。
对人肺腺癌单细胞测序数据进行分析，也发现存在HPCS。对TCGA数据库（The Cancer Genome Atlas）的Bulk数据进行分析发现其和较差的生存预后相关。对多种癌症进行分析，发现HPCS也可用于预测其它类型癌症的不良结果。
结论和意义
总的来说，该研究通过对肺腺癌小鼠模型从肿瘤增生前到晚期肺腺癌的七个发展阶段进行全面表征，发现了随着肺腺癌的发展，细胞异质性不断增加。在小鼠中发现一种高度可塑的细胞状态-HPCS，在肺腺癌患者的数据中验证其存在。进一步分析发现HPCS和患者的不良预后相关。该研究将HPCS确定为肿瘤发展关键驱动因素，强调了靶向可塑细胞状态在癌症治疗中的重要性，为后续开发治疗方法提供了新的思路。
参考文献：
Marjanovic ND, Hofree M, Chan JE, Canner D, Wu K, Trakala M, Hartmann GG, Smith OC, Kim JY, Evans KV, Hudson A, Ashenberg O, Porter CBM, Bejnood A, Subramanian A, Pitter K, Yan Y, Delorey T, Phillips DR, Shah N, Chaudhary O, Tsankov A, Hollmann T, Rekhtman N, Massion PP, Poirier JT, Mazutis L, Li R, Lee JH, Amon A, Rudin CM, Jacks T, Regev A, Tammela T. Emergence of a High-Plasticity Cell State during Lung Cancer Evolution. Cancer Cell. 2020 Aug 10;38(2):229-246.e13. doi: 10.1016/j.ccell.2020.06.012. Epub 2020 Jul 23. PMID: 32707077; PMCID: PMC7745838.
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