8月21日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）張澤民教授課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭慧教授課題組，在國(guó)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(xué)數(shù)據(jù)整合為支撐，通過(guò)收集大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)，系統(tǒng)刻畫(huà)了自然殺傷（NK）細(xì)胞在不同癌癥類(lèi)型和組織之間的異質(zhì)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(xì)胞亞類(lèi)，揭示了NK細(xì)胞與微環(huán)境中其他組分的潛在調(diào)控關(guān)系（圖1）。

圖1. NK細(xì)胞單細(xì)胞圖譜的圖

近些年來(lái)，通過(guò)生物信息學(xué)方法賦能新技術(shù)、解讀復(fù)雜現(xiàn)象，已經(jīng)成為探索和解決重要科學(xué)問(wèn)題的強(qiáng)大助力。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)已積累了海量的TME單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)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(jià)值的信息是當(dāng)前階段研究的重要問(wèn)題¹。但是這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量參差不齊，來(lái)源復(fù)雜，測(cè)序平臺(tái)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(jié)合單細(xì)胞測(cè)序和先進(jìn)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(xì)胞類(lèi)型^2—4。張澤民前期的研究證明了在癌細(xì)胞之外，不同腫瘤的免疫微環(huán)境存在與患者預(yù)后和治療響應(yīng)相關(guān)的穩(wěn)定的差異，提出了新的腫瘤異質(zhì)性研究方向。不同的癌癥類(lèi)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(lèi)型的癌癥、不同的患者為什么會(huì)對(duì)免疫治療產(chǎn)生差異的響應(yīng)？這些問(wèn)題的解決將會(huì)極大推動(dòng)腫瘤免疫治療的發(fā)展。

本研究聚焦TME中與T細(xì)胞功能相似、但具有更直接的識(shí)別和殺傷癌細(xì)胞能力的NK細(xì)胞⁵。由于腫瘤浸潤(rùn)的NK細(xì)胞在TME的免疫細(xì)胞組分中占比稀少，先前的單一研究對(duì)其類(lèi)群分布、功能特性等均缺乏深入、系統(tǒng)性分析。通過(guò)生物信息學(xué)整合建立大規(guī)模NK細(xì)胞組學(xué)數(shù)據(jù)資源是突破這一難點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)手段。研究者收集整理了大量公開(kāi)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，涉及24種癌癥類(lèi)型，包括來(lái)自716名患者和47名健康對(duì)照的1223個(gè)樣本的NK細(xì)胞單細(xì)胞表達(dá)譜數(shù)據(jù)。研究者克服數(shù)據(jù)整合的多項(xiàng)難點(diǎn)，包括高精度分離NK細(xì)胞、去除復(fù)雜的批次效應(yīng)等，首次在泛癌水平系統(tǒng)地鑒定到5類(lèi)CD56^brightCD16^lo和9類(lèi)CD56^dimCD16^hiNK細(xì)胞亞群，并詳細(xì)地刻畫(huà)了各類(lèi)群的表型和功能多樣性（圖2）。

圖2. 課題設(shè)計(jì)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(xì)胞的亞群組成在不同癌癥類(lèi)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(xì)胞亞類(lèi)分布也具有明顯的差異。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組定量分析，敏感性和特異性檢驗(yàn)等生物信息技術(shù)篩選，研究者發(fā)現(xiàn)RGS1特異高表達(dá)在非血液來(lái)源的NK細(xì)胞上。相比于經(jīng)典的組織駐留特征基因，RGS1在轉(zhuǎn)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(jìn)一步研究NK細(xì)胞的組織浸潤(rùn)提供了新的研究方向，也進(jìn)一步突顯了通過(guò)整合數(shù)據(jù)分析研究關(guān)鍵生物學(xué)問(wèn)題的可行性。

進(jìn)一步關(guān)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(xì)胞。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該群細(xì)胞具有功能失調(diào)的表型，包括殺傷性下降、抑制受體上升、高表達(dá)應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白等，因此研究者將這一群細(xì)胞命名為腫瘤相關(guān)NK細(xì)胞（Tumor-associated NK cells, TaNK cells）。與經(jīng)典認(rèn)知的NK細(xì)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(xì)胞的富集與多種癌癥類(lèi)型的不良預(yù)后及免疫治療的耐藥顯著相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，TaNK細(xì)胞具有重要的生物學(xué)和臨床應(yīng)用價(jià)值，為后續(xù)開(kāi)發(fā)NK細(xì)胞相關(guān)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(xì)胞尤其是LAMP3⁺ DCs是NK細(xì)胞的重要調(diào)控因子。進(jìn)一步的生物信息分析結(jié)合空間分布定量發(fā)現(xiàn)，靠近LAMP3⁺ DCs的NK細(xì)胞表現(xiàn)出更低的殺傷活性，這說(shuō)明LAMP3⁺ DCs在腫瘤免疫微環(huán)境中對(duì)NK細(xì)胞功能有著潛在的異常調(diào)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(xì)胞數(shù)據(jù)，揭示了NK細(xì)胞中的基因表達(dá)模式轉(zhuǎn)變，捕捉了腫瘤免疫微環(huán)境的NK細(xì)胞亞群組分變化，為未來(lái)通過(guò)更全面的整合分析手段探索新的生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)提供了助力，也為藥物研發(fā)提供更準(zhǔn)確、更全面的數(shù)據(jù)支持。

北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院PTN項(xiàng)目博士生唐非、北京大學(xué)BIOPIC/生命科學(xué)學(xué)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(xué)BIOPIC助理研究員王東方、彭慧、北京大學(xué)BIOPIC副研究員朱琳楠為該論文的共同通訊作者。昌平實(shí)驗(yàn)室博士研究生亓璐及張澤民實(shí)驗(yàn)室其他成員為本研究作出了重要貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)田志剛院士為本研究提供了重要幫助。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助。

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來(lái)源：北京大學(xué)