原文题目：Epigenetic plasticity cooperates with cell-cell interactions to direct pancreatic tumorigenesis
通讯作者：DANA PEER
隶属单位：纪念斯隆凯特琳癌症中心
DOI：10.1126/science.add5327
几乎所有的癌症都始于健康细胞的遗传改变，但越来越多的证据表明，环境信号等非遗传事件在释放肿瘤发生方面起着至关重要的作用。在胰腺中，携带Kras原癌基因激活突变的上皮细胞可以保持表型正常，直到发生驱动细胞可塑性和组织重塑的炎症事件。炎症驱动的分子、细胞和组织变化在肿瘤形成之前和直接肿瘤形成之前仍然知之甚少。
浅析表观遗传可塑性及其对肿瘤发生的影响
了解肿瘤发生需要对跨越癌症进展的事件进行高分辨率视图。研究人员利用基因工程小鼠模型（GEMM）、单细胞基因组学（用于转座酶可及染色质测序的RNA测序和测定）和成像技术来测量生理、癌前和恶性阶段的胰腺上皮细胞状态。为了分析这个丰富而复杂的数据集，研究人员开发了计算和功能方法来表征表观遗传可塑性并推断细胞 - 细胞通讯对组织重塑的影响。
研究人员的数据显示，在肿瘤发生的早期，Kras突变细胞能够获得多种高度可重复的细胞状态，这些状态在正常或再生胰腺中是无法检测到的。几种这样的状态与实验验证的肿瘤病变起源细胞一致，其中一些在炎症损伤时表现出高度的可塑性。这些不同的Kras突变细胞群由不同的染色质可及模式定义，并在癌前病变形成之前经历炎症驱动的细胞命运转变。此外，早期Kras突变细胞状态的一个子集表现出与数周至数月后出现的良性或恶性命运的显着相似性;例如，Kras突变的Nestin阳性祖细胞样细胞在恶性肿瘤中活跃的基因附近显示可接近的染色质。
研究人员将表观遗传可塑性定义为转录表型的多样性，这种多样性是由给定的表观遗传可及性景观启用或限制的。这些塑料细胞状态富集于编码配体和细胞表面受体的细胞-细胞通讯基因附近的开放染色质，表明与微环境沟通的倾向增加。鉴于炎症期间上皮和免疫区室的快速重塑，研究人员假设这种表观遗传学上的通信是肿瘤发生的主要驱动因素。研究人员发现癌前上皮在通讯基因共表达模式方面表现出非凡的模块化，不同的细胞亚群每个表达一组独特的受体和配体，这些受体和配体定义了它们可以接收和发送的传入和传出信号的性质。
通过开发书法，一种利用这种受体 - 配体模块化来稳健地推断组织重塑背后的细胞 - 细胞通讯的算法，研究人员发现早期肿瘤组织的增强信号库赋予特定的塑料上皮群体更大的串扰能力，包括与免疫群体的众多通信途径。例如，研究人员确定了炎症驱动的Kras突变上皮和免疫细胞状态之间的反馈回路，涉及白细胞介素-33（IL-33），后者以前与胰腺肿瘤发生有关。使用一种新的GEMM，可以在突变的Kras引发的肿瘤形成期间对上皮Il33表达进行时空控制抑制，研究人员在功能上证明，由上皮IL-33启动的环引导从高度可塑性，炎症诱导的上皮状态退出，从而能够进展为典型的肿瘤。
小鼠模型中肿瘤发生的多模态单细胞分析确定了胰腺癌起始的细胞和组织决定因素，并且可塑性的严格定量能够发现可塑性相关基因程序。研究人员发现Kras突变亚群显着增加炎症时的表观遗传可塑性，重塑它们与免疫细胞的通信潜力，并建立异常的细胞 - 细胞通讯环路，推动它们向肿瘤病变的进展。
尽管对影响肿瘤进展为晚期PDAC的分子过程知之甚少，但胰腺癌的诊断较晚，并且缺乏早期肿瘤的分子研究使研究人员对它如何从相对均匀的上皮中出现知之甚少。通过将小鼠模型的单细胞测序与计算分析相结合，研究人员发现Kras突变细胞中的允许染色质状态使可用于癌前组织的通讯程序多样化，从而在整个肿瘤微环境中扩展下游串扰。此外，在Kras突变的背景下，表观遗传重编程和癌症驱动人群的出现是非常动态的，发生在炎症侮辱后的2天内。
已知突变通过失去AT1或AT2谱系身份和获得这些状态之间的表型中间体来驱动肺癌的可塑性。在胰腺中，在肿瘤发生和再生中长期观察到类似的腺泡身份丧失和中间腺泡导管状态的获得;因此，传统的可塑性概念不足以描述其对疾病的贡献。研究人员将可塑性定义为细胞表现出不同未来命运的潜力，激发可推广的可塑性评分，该评分与表观遗传启动的程度有关。该评分提名了几种高度可塑的细胞状态，其中开放的染色质解锁了在良性病变或恶性疾病中观察到的多个不同基因程序的访问，并揭示了炎症增强了这些状态的可塑性。
为了更好地阐明塑料状态的出现，研究人员试图调和先前的工作，提出不同的肿瘤起源细胞。研究人员的GEMM在所有腺泡细胞中都含有突变的Kras，使研究人员能够全面探索哪些状态可以启动肿瘤发生。使用CellRank，研究人员将上皮转录多样性的起源追溯到与实验确定的起源细胞对应的多个“顶点”祖细胞群。这些群体也表现出高可塑性评分，并通过表明肿瘤可以通过对炎症的不同反应由多种Kras突变细胞状态引起来统一先前的工作。此外，研究人员的Ptf1a-Cre模型将这种多样性追溯到主要是腺泡样状态，这一事实得到了以下事实的支持：几乎所有癌前上皮细胞状态都具有腺泡样染色质状态（表观遗传“记忆”），其本身映射到CellRank预测的顶点状态。虽然非腺泡谱系细胞也可以在小鼠中经历肿瘤转化，研究人员的结果与观察到的Kras突变和炎症时正常谱系身份的丧失一致，并揭示了这种转变后可能出现的顶点状态。在顶点状态中，多个无偏分析特别支持Nes祖细胞样状态，该状态显示PDAC相关的染色质改变，表达祖细胞相关基因，并且在研究人员的可塑性指标中得分最高 - 这些都是高度可塑性细胞的标志。
研究人员的可塑性评分与细胞因子和受体基因最相关，这意味着塑料群体已准备好发出信号和/或对环境做出反应。为了解决这个问题，研究人员研究了细胞 - 细胞通讯如何驱动快速的组织重塑。先前的通信推理方法未能在细胞群中表达的大量细胞因子和受体中找到特定的信号。因此，研究人员开发了书法，以利用基因表达的模块化，在测试单个R-L基因对时具有更大的功能和鲁棒性，使研究人员能够专注于肿瘤特异性通信网络。书法鉴定了共表达的通讯基因模块，这些基因出人意料地一对一地映射到转录细胞状态，这意味着交流对于在癌前胰腺内建立细胞状态多样性至关重要。这些网络在正常胰腺中基本上不存在，只有一个在组织损伤时出现的罕见细胞亚群中被诱导。相同的模块具有最高的组织重塑倾向，并且在晚期小鼠和人类癌症中持续存在，这表明癌症控制了正常再生期间使用的基因程序。
研究人员的分析揭示了由 Kras 突变上皮细胞向 T 表达胃模块的 IL-33 信号引发的反馈回路h2 表达细胞因子的 T注册和ILC2，其信号返回上皮（在多种其他途径中）。这些发现将先前关于T相关性的结果联系起来hPDAC肿瘤发生中的信号传导2对IL-33在这一过程中的作用起作用。空间分析揭示了环中信号细胞群的近端定位，并且 GEMM 中的上皮 Il33 敲低受损了炎症驱动的塑料群体重塑，阻断了胃样状态细胞的出现，这些细胞在 PanIN 病变中是丰富的。这种机制可以由单独的上皮衍生的IL-33驱动，尽管高基质IL-33表达先前涉及疾病表型。此外，体内IL33扰动的结果通过匹配哪些种群受到扰动、扰动程度和时间顺序的预测来支持书法推理。本文中定义的其它模块也可能具有功能重要性。未来的工作可以将这种方法扩展到其他利基成分，如成纤维细胞或内皮细胞，并应揭示具有治疗或诊断开发潜力的额外通信。
PDAC经常被发现得太晚而无法进行根治性干预，对早期肿瘤事件的详细了解可能有助于制定合理的策略，在肿瘤进展到难治阶段之前预防，检测和拦截肿瘤。研究人员的结果表明，GEMM可用于研究和扰乱早期事件，揭示肿瘤形成中未观察到的表观遗传塑性细胞状态，这些状态在正常或再生胰腺中未观察到。进一步努力了解驱动PDAC启动的肿瘤特异性通信网络，有望开发阻断早期癌症进展的治疗方法，并且也可能对晚期疾病有效。
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