垂體是最重要最復雜的內(nèi)分泌腺體之一，主要由五種激素細胞組成，包括生長激素細胞、催乳素細胞、促甲狀腺素細胞、促腎上腺皮質(zhì)激素細胞和促性腺激素細胞，在生長發(fā)育、代謝調(diào)節(jié)、生殖以及應激等生理過程中發(fā)揮重要作用。每種激素細胞都有可能異常增殖形成腫瘤，即垂體神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤(Pituitary neuroendocrine tumors，PitNETs)，又稱垂體腺瘤或垂體瘤，是第二大常見的顱內(nèi)腫瘤，大約占顱內(nèi)腫瘤的10%~16%。基因組學研究發(fā)現(xiàn)40~60%的生長激素瘤有GNAS基因突變，40~60%促腎上腺皮質(zhì)激素瘤有USP8突變，但60%垂體瘤未發(fā)現(xiàn)基因突變，病因不明。

垂體瘤細胞中哪些基因的表達水平發(fā)生了異常變化？傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組學未能有效解決這個問題。這是由于正常垂體組織中，五種類型的激素細胞互相混雜，傳統(tǒng)的群體細胞轉(zhuǎn)錄組學所檢測到的實際是“平均激素細胞”。由于缺乏正常對照信息，群體細胞轉(zhuǎn)錄組學難以準確鑒定垂體瘤細胞中發(fā)生的基因表達變化。另外，多激素垂體瘤和侵襲性垂體瘤是否存在瘤內(nèi)細胞異質(zhì)性，也是尚未研究清楚的問題。

北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心湯富酬教授和文路副研究員，與北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科周大彪主任合作，在Neuro-oncology雜志在線發(fā)表（2021年4月28日）題為“Single-cell transcriptome and genome analyses of pituitary neuroendocrine tumors”的研究論文。該研究對21個病人的23例垂體瘤組織樣本進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組測序（2679個細胞），并對其中5例組織進行了單細胞多組學測序（238個細胞），為深入理解上述問題提供了新的視角（圖1）。該研究論文的主要發(fā)現(xiàn)包括：

圖1.垂體瘤病人臨床信息

1）通過單細胞轉(zhuǎn)錄組的無監(jiān)督式聚類可區(qū)分所有垂體瘤亞型，與臨床基于免疫組織化學的分類結(jié)果一致（圖2）。單細胞轉(zhuǎn)錄組測序還提供了一些新的有趣信息。例如，一例垂體瘤（P11）同時表達促腎上腺皮質(zhì)激素細胞關鍵轉(zhuǎn)錄因子T-PIT（TBX19）與促性腺激素細胞關鍵轉(zhuǎn)錄因子SF-1（NR5A1），其細胞在線性降維空間中位于兩個譜系之間，顯示其處于一種中間狀態(tài)。另一例垂體瘤（P14）被臨床診斷為零細胞垂體瘤，與促性腺激素瘤聚類，提示其細胞來源可能是促性腺激素細胞。

圖2.所有腫瘤細胞及重要轉(zhuǎn)錄因子的表達在PCA圖中的映射

2）我們分離鑒定出了三種正常垂體內(nèi)分泌細胞：生長激素細胞、催乳素細胞和促性腺激素細胞，首次獲得這些成體垂體激素細胞類型的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。與相應腫瘤細胞類型比較，我們?nèi)骅b定了生長激素垂體瘤、促性腺激素垂體瘤和催乳素垂體瘤的腫瘤差異表達基因譜（圖3A-3D）。生長激素瘤的差異表達基因以上調(diào)為主（76.1%, 283/372），而促性腺激素瘤的以下調(diào)為主（84.3%, 542/643）。生長激素瘤上調(diào)的基因中富集分泌相關基因如SCG3，可能與該腫瘤類型的功能亢進特征有關。促性腺激素瘤下調(diào)基因中包括LHB和GNRHR等激素相關基因，與該腫瘤類型往往功能沉默有關；下調(diào)基因中還富集細胞周期負向調(diào)控基因如CDKN2A，表明該腫瘤類型發(fā)生了細胞增殖失調(diào)。值得指出，研究鑒定出了新的垂體瘤相關基因，如AMIGO2，在生長激素瘤與促性腺激素瘤中表達顯著增高（圖3E)。

圖3.A-D，垂體瘤腫瘤細胞和相對應的正常細胞的差異表達基因（A-C）和GO分析（D）。E，垂體瘤腫瘤相關基因在所有細胞中的表達水平

3）通過單細胞轉(zhuǎn)錄組分析，證實多激素垂體瘤中，多種激素相關基因及轉(zhuǎn)錄因子在單個細胞中共表達，未發(fā)現(xiàn)瘤內(nèi)異質(zhì)性（圖4）。在侵襲性瘤中，也未發(fā)現(xiàn)明顯的瘤內(nèi)異質(zhì)性。

圖4.PIT-1譜系垂體瘤和多激素垂體瘤中單細胞水平的激素相關基因表達

4）單細胞多組學分析表明，即使是基因組拷貝數(shù)紊亂的垂體瘤，單細胞層次也具有基本一致的拷貝數(shù)變異模式，表明其為單克隆起源（圖5A）。但我們也鑒定到了少量的瘤內(nèi)基因組拷貝數(shù)變異異質(zhì)性（圖5B）。

圖5.P20（A）和P21（B）垂體瘤患者腫瘤細胞中的基因組拷貝數(shù)變異（CNV）情況

總之，本研究首次從單細胞水平上對垂體瘤轉(zhuǎn)錄組和基因組進行了較全面分析，解析了瘤間與瘤內(nèi)異質(zhì)性，鑒定了新的垂體瘤相關基因，為闡釋垂體瘤發(fā)病機理與發(fā)現(xiàn)治療靶點提供了新的線索。

北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心崔月利博士、博士生蔣振寰、博士后張書博士和北京天壇醫(yī)院博士生李超為本文共同第一作者。北京大學未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心、生命科學學院湯富酬教授和文路副研究員，與北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科周大彪主任為該論文的共同通訊作者。該研究項目得到了國家自然科學基金委和北京大學未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的支持。

來源：北京大學