结直肠息肉是否会发展成结直肠癌？大约经过多久，又怎样发展成结直肠癌？这些问题，在医学界一直没有明确的答案。
近期，国际学术期刊Cell上刊登了一项由美国范德比尔特大学医学院、约翰斯霍普金斯大学医学院、哈佛大学医学院、耶鲁大学医学院等著名研究机构共同绘制的一份整合了单细胞转录学、基因组学和免疫组织病理学的多组学人类结直肠癌前病变图谱，描述了两种最常见人类结直肠息肉ADs、SSLs及其衍化的CRC，并在功能上验证了不同结直肠息肉的起源和癌变分子过程。
COLONMAP研究参与者，在1年的时间内收集到两组由参与者结直肠息肉、正常活检组织组成的独立样本，并对样本进行scRNA-seq、多重免疫荧光(MxIF)和多重免疫组织化学(MxIHC)分析，最终生成个独立的scRNA-seq数据集。此外，研究者对66个和个息肉的正交组进行了批量RNA-seq和靶向基因测序，依据组织病理学将结直肠息肉分为两个亚型：由管状(TA)和管状绒毛状(TVA)的AD，或由增生性息肉(HP)和SSL组成的锯齿状息肉(SER)。
图1:人类结肠癌前病变的特征：
单细胞分析识别亚型特异产生的肿瘤细胞
与正常上皮细胞相比，研究者确定了在ASC和SSC中差异激活的基因程序和途径。ASC类似于结肠干细胞和祖细胞，特征表达WNT通路激活的基因(LGR5、OLFM4、ASCL2、AXIN2、RNF43和EPHB2)(图2A)，并且比正常干细胞更具有干细胞特征。通过使用Cyto-TRACE来推断APC的干细胞潜能。正常干细胞具有较高的CytoTRACE评分，在干细胞、过渡细胞和分化细胞之间形成相对均匀的评分分布。相比之下，ASCs的Cyto-TRACE分析产生了向具有高预测干细胞潜能的细胞倾斜的分布(图2E；表S4)。这种干性变化表明肿瘤干细胞的存在。这些分析描述了一个模型，其中WNT依赖性干细胞扩增引发AD中的肿瘤发生，最常见的是由APC中的功能丧失突变驱动。
图2：单细胞基因表达和癌前病变的调控网路图谱
SSC没有表现出WNT通路激活或干细胞特征(图2A和2D；图S2A)，其CytoTRACE评分倾向于较低的干细胞潜力，与ASCs相反(图2E；图S2E)。SSCs的转录组特征类似于吸收系细胞，也表达功能性杯细胞基因，如TFF3和MUC2，但没有主分泌细胞TFATOH1和ATOH1调节子，这表明SSCs具有混合的细胞特性(图2A；图S2G)。SSCs高表达的基因在结肠中没有观察到，在其他内胚层器官中发现。
化生是分化细胞转分化为非天然细胞类型的过程，通常作为损伤后的再生机制。CDX2在结肠中的缺失与不完美的幽门型胃化生和在头端-尾端梯度中更多头端基因表达的转变有关。CDX2在大多数结肠细胞类型中表达，包括ASC；它在SSC中被下调，支持这些细胞中区域身份的丧失(图2A)。SSCs尾部特征的这种丧失伴随着胚胎阶段的恢复，由胎儿MDK基因支持，该基因编码仅在早期结肠发育中短暂表达的肝素结合生长因子(图2A和2D；图S2A和S2D；)。SSCs中管腔维甲酸诱导的吸收性细胞分化基因(RXRA/RARA/ALDOB)增加，而抑制的延髓识别基因(ANAX10/ANXA1)也增加(图2A)。这些基因特征描述了结肠身份的丧失，并提供了SSC来自化生过程的进一步证据。
锯齿状息肉起源于不同于腺瘤的细胞起源
因为SSC可能来自分化细胞的化生，假设SER起源于“自上而下”肿瘤发生模型中的分化细胞，而AD则以“自下而上”的方式由增殖干细胞产生。为了提供肿瘤起源的组织学证据，研究者通过多重成像绘制了肿瘤细胞的位置。干细胞标志物OLFM4和SOX9在AD中含量丰富，但在HP和SSL中显著减少(图3A和3B；图S3A和S3B)。在正常结肠和AD中检测到核CDX2，但在HPs中减少，在SSLs中不存在(图3C；图S3C)。MUC5AC是SSCs的标志物，在HPs和SSLs中高表达，但在正常活检和ADs中不高表达(图3D；图S3D)。在隐窝顶部经常观察到MUC5AC阳性肿瘤细胞，在隐窝底部观察到正常出现的MUC5AC阴性细胞，体现SER的非隐窝起源。MUC5AC阳性细胞首先出现在GCHPs的管腔表面，然后进一步延伸到MVHPs和SSLs的隐窝底部(图S3D和S3E)，与SER的组织病理学进展(图1B)一致并支持管腔表面起源SSC。在来自SER的大多数异常隐窝中检测到MUC5AC阳性细胞(图S3F)，但在正常结肠中基本不存在。
图3.癌前病变的推断起源
研究者通过批量稳健的SCENIC调节子上使用p-Creode推断上皮细胞的转变轨迹，这产生了典型的结肠分化层次结构。CytoTRACE评分和WNT靶基因覆盖确定了与ASC共享的干细胞分支，表明异常扩增的干细胞是AD的起源(图3E)。SSCs被推断由吸收性祖细胞和结肠细胞发育而来。单个肿瘤的RNA速度分析在很大程度上证实了这些发现(图3F；图S3I)。ASC与干细胞发育有关，但SSC的速度向量相反，表明非干细胞起源。
为了进一步推断共同起源和系统发育距离，在研究过程中改进并使用了DENDRO(基于DNA的进化树预测)，与SSC相比，ASC与隐窝基底干细胞的遗传相关性更高(图S3J和S3K；表S1)。
亚型特异性特征在从癌前期到癌症的
恶性进展过程中发生改变
对7例(2例MSI-H，5例MSS)CRC标本进行了scRNA-seq，并外购了CRCscRNA-seq数据集(n=60;32MSI-H，28MSS)进行验证。测序结果揭示MSSCRCs遵循常规肿瘤发生途径，出现预期突变特征，APC(%)，KRAS(35%)和TP53(71%)突变(图S4A)。MSI-HCRCs的常规突变较少(分别为33%，0%，7%)，但BRAF突变较多(MSI-H为53%，而MSS为0%)。所有MSI-HCRC均发生超突变，所有CRC组织学显示浸润性腺癌特征(图S4B)，MSI-HCRC表现出粘蛋白特征。
恶性CRC的scRNA-seq数据显示了大量的肿瘤间变异性。结合癌前数据，从癌前息肉角度观察CRC细胞，可以降低CRC转录组学的内在复杂性和异质性。通过使用来自ADs和SERs的预先鉴定的基因集，观察到MSS和MSI-HCRC细胞都保留了各自前体细胞的某个方面。为了进一步支持癌前期和癌症之间的共性，通过共识分子亚型(CMS)对ASCs，SSCs和CRC细胞进行分类(图4D;表S4)。ASCs和MSSCRC的CMS2评分很高，SSCs和MSI-HCRC的CMS2评分较低，但CMS1和CMS3评分较高。
图4：通过癌症前期的视角分析CRCs
从癌前到恶性肿瘤转变过程中获得或失去的特征。与SSCs相比，MSI-HCRC细胞的化生和胎儿特征相对减少。然而，WNT激活干细胞程序中的关键基因相对于SSCs增加(图4C；图S4C)。CytoTRACE分析表明，MSI-HCRC细胞比SSCs具有更高的干细胞潜能，而MSSCRC细胞的评分也高于ASCs(图4E；表S4)。基因调控网络分析更清楚地表明了分子通路在恶性转化过程中是如何通过GSEA维持或改变的(图4F–4I；图S4E；表S7)。这些结果表明，MSI-HCRC通过转变为更具侵袭性的干细胞样细胞而不依赖于化生。
通过对以上的研究表明，大多数MSS和MSI-H的结直肠癌(CRC)由癌前病变的传统型腺瘤(AD)和无蒂锯齿状病变(SSL；前称无蒂锯齿状腺瘤/息肉)发展而来。AD源于APC中的截断突变，导致WNT通路和CIN的激活，累计突变最终形成MSSCRC。SSL具有表观遗传破坏，包括MLH1高甲基化和40%–75%的CIMP发生率。
与此同时，研究者还提出了一种新的范式，对近端结肠的损伤(可能来自微生物群)启动了化生级联反应，最终可能选择生存/增殖途径，例如激活BRAF突变。关键的是，小鼠模型中的BRAF突变必须伴随着“二次打击”，用于肿瘤诱导。
以MUC5AC染色与CDX2的缺失相结合为例，生物标志物可能有助于对可疑SSLs病变的诊断。此外，SSLs中的细胞毒性免疫反应先于人类肿瘤的超突变。超突变是MSI-HCRCs的特征，由此产生的高新抗原负荷被认为是细胞毒性微环境的关键驱动因素。在没有超突变的情况下，具有分化状态的肿瘤细胞，更擅长抗原呈递和建立活跃的免疫环境。至于具有分化表型的肿瘤细胞如何获得并维持免疫刺激特性，仍有待确定。
