结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）是全球常见的致死癌症之一，在所有癌症中，发病率排第三，死亡率排第三，是一种异质性极强的肿瘤。国际联盟曾基于Bulk数据确定了4种分子亚型（consensus molecular subtypes, CMS）：CMS1（免疫浸润型）、CMS2（经典型）、CMS3（代谢型）和CMS4（间充质型）。但基于Bulk数据无法从高分辨率下探究其中的细胞组成、细胞比例变化和肿瘤微环境内的相互作用等，其中潜在的上皮细胞多样性也尚不可知。
2022年6月30日，新加坡基因组研究所的研究团队在 Nature Genetics 上发表题为 Single-cell and bulk transcriptome sequencing identifies two epithelial tumor cell states and refines the consensus molecular classification of colorectal cancer 的文章，通过单细胞转录组技术，对63个患者的141个肿瘤样本、39个癌旁样本和9个淋巴结样本数据进行分析，确定了一种结直肠癌分型的新方法，基于内在上皮状态 (I)、微卫星状态 (M) 和是否存在纤维化 (F) 三个层面（“IMF”）细化CRC的分型，将CRC分为五个类别：iCMS2_MSS_NF、iCMS2_MSS_F、iCMS3_MSS_NF、iCMS3_MSS_F 和 iCMS3_MSI。基于该新分型方案发现，原CMS4亚型（无复发生存期短）主要是iCMS2或iCMS3亚型，生存分析结果表明和iCMS2亚型相比，iCMS3亚型患者生存率和总生存率均较差。这为治疗方案的优化、患者生存分析等提供了新的分型参考。
01 鉴定出2种上皮亚型
在该研究中，研究人员首先鉴定出主要的细胞类型，如T_NK、B、成纤维细胞、上皮细胞等。进一步对上皮细胞进行分群，标注患者信息后发现存在患者特异性的cluster，这种现象可能代表患者间的生物学差异，而非批次效应。使用pseudo-bulk和主成分分析对上皮细胞进行表征，划分出两个上皮分组，使用2组间的差异基因对上皮细胞进行聚类，分出2个主要的上皮亚型，命名为iCMS2和iCMS3（intrinsic-consensus molecular subtypes）。进一步通过InferCNV分析发现iCMS2和iCMS3拷贝数变化不同，iCMS2主要表现为1p、4pq、8p、14q、15q、17p和18pq缺失，iCMS3表现为较为罕见的或不一致的拷贝数变化，以上结果说明拷贝数变化可能有助于iCMS2和iCMS3的分型。
02 Bulk数据验证iCMS分型
对15个原发肿瘤的bulk数据集进行分析，基于715个iCMS 特征基因的表达，可以分为2组i2high和i3high，i2 和 i3 肿瘤在多个数据集中均可被识别出来。这表明这种内在的上皮特征iCMS，可以从肿瘤的Bulk数据中准确地识别出上皮亚型。
将已知的四种结直肠癌分子亚型分析，结果表明CMS1和 CMS3亚型主要为 i3，而 CMS2亚型主要为 i2，CMS4亚型可以是i2或i3。生存分析发现，和i2 亚型相比，i3亚型患者生存率和总生存率均较差。将来自14个CRC临床队列的数据进行层次聚类，可观察到肿瘤可根据 iCMS、微卫星不稳定性（microsatellite instability，MSI）状态和 CMS 亚型分组。在 iCMS3 中，MSI-高（MSI-H） 肿瘤大多分离为一个亚簇，其特征是高表达免疫特异性基因和低表达成纤维细胞特异性基因。在每个主要的 iCMS2 和 iCMS3 组中，均存在CMS4肿瘤的一个子集，其特征是成纤维细胞、内皮细胞和免疫特异性基因表达增加。这表明 iCMS、MSI 状态和 CMS 可共同去表征 CRC 的分子分型。研究人员提出了基于内在上皮状态 (I)、微卫星状态 (M) 和是否存在纤维化 (F) 三个层面（“IMF”）细化CRC的分型，IMF 将CRC分为五个类别：iCMS2_MSS_NF、iCMS2_MSS_F、iCMS3_MSS_NF、iCMS3_MSS_F 和 iCMS3_MSI。
03 多维度表征i2和i3亚型
从多维度对i2和i3肿瘤进行表征，拷贝数变异分析发现和i3相比，TP53突变在 i2 MSS 肿瘤中更常见。在MSS组中，i3癌症富含KRAS和PIK3CA突变，而i2肿瘤富含APC和TP53突变。对常见的癌症相关信号通路MAPK、TGF-β进行分析，在i3肿瘤细胞中，与MAPK活性和KRAS、BRAF激活突变相关的基因表达更高。TGF-β信号通路相关基因如SMAD4，在i3癌症中发生更频繁的突变。
结论和意义
总的来说，该研究通过对多个结直肠癌队列进行全面表征，发现了内在的上皮特征iCMS，提出两种分型 iCMS2 和 iCMS3 。进一步分析研究人员提出了基于内在上皮状态 (I)、微卫星状态 (M) 和是否存在纤维化 (F) 三个层面（“IMF”）细化CRC的分型，IMF 将CRC分为五个类别：iCMS2_MSS_NF、iCMS2_MSS_F、iCMS3_MSS_NF、iCMS3_MSS_F 和 iCMS3_MSI。为治疗方案的优化、患者生存分析等提供了新的分型参考。
参考文献：
Joanito I, Wirapati P, Zhao N, Nawaz Z, Yeo G, Lee F, Eng CLP, Macalinao DC, Kahraman M, Srinivasan H, Lakshmanan V, Verbandt S, Tsantoulis P, Gunn N, Venkatesh PN, Poh ZW, Nahar R, Oh HLJ, Loo JM, Chia S, Cheow LF, Cheruba E, Wong MT, Kua L, Chua C, Nguyen A, Golovan J, Gan A, Lim WJ, Guo YA, Yap CK, Tay B, Hong Y, Chong DQ, Chok AY, Park WY, Han S, Chang MH, Seow-En I, Fu C, Mathew R, Toh EL, Hong LZ, Skanderup AJ, DasGupta R, Ong CJ, Lim KH, Tan EKW, Koo SL, Leow WQ, Tejpar S, Prabhakar S, Tan IB. Single-cell and bulk transcriptome sequencing identifies two epithelial tumor cell states and refines the consensus molecular classification of colorectal cancer. Nat Genet. 2022 Jul;54(7):963-975. doi: 10.1038/s41588-022-01100-4. Epub 2022 Jun 30. PMID: 35773407; PMCID: PMC9279158.
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