8月21日，北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）張澤民教授課題組聯(lián)合中國科學技術大學彭慧教授課題組，在國際期刊Cell上發(fā)表題為“A Pan-Cancer Single Cell Panorama of Human Natural Killer Cells”的研究論文。該研究以生物信息學數(shù)據(jù)整合為支撐，通過收集大規(guī)模單細胞轉錄組測序數(shù)據(jù)，系統(tǒng)刻畫了自然殺傷（NK）細胞在不同癌癥類型和組織之間的異質性，發(fā)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境（TME）特異富集、殺傷功能異常的NK細胞亞類，揭示了NK細胞與微環(huán)境中其他組分的潛在調控關系（圖1）。

圖1. NK細胞單細胞圖譜的圖

近些年來，通過生物信息學方法賦能新技術、解讀復雜現(xiàn)象，已經(jīng)成為探索和解決重要科學問題的強大助力。與此同時，國內(nèi)外研究團隊已積累了海量的TME單細胞轉錄組測序數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性整合這些數(shù)據(jù)資源從而充分挖掘有價值的信息是當前階段研究的重要問題¹。但是這些數(shù)據(jù)的質量參差不齊，來源復雜，測序平臺多樣，因此如何利用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)新規(guī)律是生物信息遇到的重要挑戰(zhàn)。結合單細胞測序和先進的生物信息數(shù)據(jù)分析策略，張澤民課題組揭示了多種腫瘤特異的細胞類型^2—4。張澤民前期的研究證明了在癌細胞之外，不同腫瘤的免疫微環(huán)境存在與患者預后和治療響應相關的穩(wěn)定的差異，提出了新的腫瘤異質性研究方向。不同的癌癥類型是否有共同的免疫功能異常特征？相同的免疫組分是否在不同組織和條件下保持功能的一致？不同類型的癌癥、不同的患者為什么會對免疫治療產(chǎn)生差異的響應？這些問題的解決將會極大推動腫瘤免疫治療的發(fā)展。

本研究聚焦TME中與T細胞功能相似、但具有更直接的識別和殺傷癌細胞能力的NK細胞⁵。由于腫瘤浸潤的NK細胞在TME的免疫細胞組分中占比稀少，先前的單一研究對其類群分布、功能特性等均缺乏深入、系統(tǒng)性分析。通過生物信息學整合建立大規(guī)模NK細胞組學數(shù)據(jù)資源是突破這一難點的關鍵技術手段。研究者收集整理了大量公開的單細胞轉錄組數(shù)據(jù)，涉及24種癌癥類型，包括來自716名患者和47名健康對照的1223個樣本的NK細胞單細胞表達譜數(shù)據(jù)。研究者克服數(shù)據(jù)整合的多項難點，包括高精度分離NK細胞、去除復雜的批次效應等，首次在泛癌水平系統(tǒng)地鑒定到5類CD56^brightCD16^lo和9類CD56^dimCD16^hiNK細胞亞群，并詳細地刻畫了各類群的表型和功能多樣性（圖2）。

圖2. 課題設計及數(shù)據(jù)處理主要框架

基于整合的數(shù)據(jù)資源，研究人員發(fā)現(xiàn)NK細胞的亞群組成在不同癌癥類型間表現(xiàn)出明顯的偏好性，腫瘤、癌旁組織和外周血中的NK細胞亞類分布也具有明顯的差異。通過轉錄組定量分析，敏感性和特異性檢驗等生物信息技術篩選，研究者發(fā)現(xiàn)RGS1特異高表達在非血液來源的NK細胞上。相比于經(jīng)典的組織駐留特征基因，RGS1在轉錄組水平表現(xiàn)出更高的特異性和靈敏度，并且在泛癌種水平上都具有優(yōu)秀的性能。該發(fā)現(xiàn)為后續(xù)進一步研究NK細胞的組織浸潤提供了新的研究方向，也進一步突顯了通過整合數(shù)據(jù)分析研究關鍵生物學問題的可行性。

進一步關注腫瘤微環(huán)境，研究者發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中高度富集一群DNAJB1⁺CD56^dimCD16^hiNK細胞。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該群細胞具有功能失調的表型，包括殺傷性下降、抑制受體上升、高表達應激反應相關蛋白等，因此研究者將這一群細胞命名為腫瘤相關NK細胞（Tumor-associated NK cells, TaNK cells）。與經(jīng)典認知的NK細胞的更高豐度有益于腫瘤患者的生存狀態(tài)不同，研究者發(fā)現(xiàn)TaNK細胞的富集與多種癌癥類型的不良預后及免疫治療的耐藥顯著相關。這些發(fā)現(xiàn)表明，TaNK細胞具有重要的生物學和臨床應用價值，為后續(xù)開發(fā)NK細胞相關的免疫治療方法提供了新的思路。除此之外，研究者發(fā)現(xiàn)髓系細胞尤其是LAMP3⁺ DCs是NK細胞的重要調控因子。進一步的生物信息分析結合空間分布定量發(fā)現(xiàn)，靠近LAMP3⁺ DCs的NK細胞表現(xiàn)出更低的殺傷活性，這說明LAMP3⁺ DCs在腫瘤免疫微環(huán)境中對NK細胞功能有著潛在的異常調節(jié)作用。

圖3. 研究的主要發(fā)現(xiàn)

綜上所述，這一工作創(chuàng)新性地整合利用大規(guī)模單細胞數(shù)據(jù)，揭示了NK細胞中的基因表達模式轉變，捕捉了腫瘤免疫微環(huán)境的NK細胞亞群組分變化，為未來通過更全面的整合分析手段探索新的生物標志物和治療靶點提供了助力，也為藥物研發(fā)提供更準確、更全面的數(shù)據(jù)支持。

北京大學前沿交叉學科研究院PTN項目博士生唐非、北京大學BIOPIC/生命科學學院博士生李金虎為該論文的并列第一作者，張澤民、北京大學BIOPIC助理研究員王東方、彭慧、北京大學BIOPIC副研究員朱琳楠為該論文的共同通訊作者。昌平實驗室博士研究生亓璐及張澤民實驗室其他成員為本研究作出了重要貢獻。中國科學技術大學田志剛院士為本研究提供了重要幫助。研究得到了國家自然科學基金和北京市科學技術委員會的資助。

參考文獻：

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2.Zhang, Q., He, Y., Luo, N., Patel, S.J., Han, Y., Gao, R., Modak, M., Carotta, S., Haslinger, C., Kind, D., et al. (2019). Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma. Cell 179, 829-845.e820. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.003.

3.Zheng, L., Qin, S., Si, W., Wang, A., Xing, B., Gao, R., Ren, X., Wang, L., Wu, X., Zhang, J., et al. (2021). Pan-cancer single-cell landscape of tumor-infiltrating T cells. Science 374, abe6474. 10.1126/science.abe6474.

4.Zhang, Y., Chen, H., Mo, H., Hu, X., Gao, R., Zhao, Y., Liu, B., Niu, L., Sun, X., Yu, X., et al. (2021). Single-cell analyses reveal key immune cell subsets associated with response to PD-L1 blockade in triple-negative breast cancer. Cancer Cell 39, 1578-1593.e1578. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2021.09.010.

5.Myers, J.A., and Miller, J.S. (2021). Exploring the NK cell platform for cancer immunotherapy. Nature Reviews Clinical Oncology 18, 85-100. 10.1038/s41571-020-0426-7.

來源：北京大學