单细胞转录组图谱揭示KRT6A+角质形成细胞通过IL-13信号轴驱动光化性角化病向皮肤癌转化的免疫调控机制

《iScience》：Single-cell transcriptomic landscape of keratinocyte transformation from actinic keratosis to skin carcinoma

本研究针对光化性角化病(AK)向皮肤鳞状细胞癌(cSCC)恶性转化的分子机制不明确这一临床难题，通过单细胞RNA测序技术绘制了正常皮肤-光化性角化病-皮肤癌的细胞转录组图谱。研究发现KRT6A+KRT16+角质形成细胞亚群在癌变过程中持续扩增，并通过IL-13/IL13RA1/IL4R信号轴与T细胞相互作用促进肿瘤进展，为早期干预提供了新靶点。

　　

在阳光炙烤的皮肤表面，一种名为光化性角化病(AK)的癌前病变正悄然酝酿着危机。作为最常见的皮肤癌前病变，AK每年有0.025%-20%的几率进展为侵袭性皮肤鳞状细胞癌(cSCC)，特别是在器官移植受体等免疫抑制人群中，这一风险更加显著。尽管科学家已经发现TP53、NOTCH1等基因突变与cSCC发生相关，但驱动AK向cSCC转化的关键细胞事件和分子机制仍然成谜。

传统的研究方法如同用低分辨率相机拍摄人群照片，只能得到整体印象却无法识别每个人的特征。这就是为什么虽然基因组学、转录组学等多组学研究已有开展，但对cSCC进展的分子驱动因素仍缺乏明确共识。细胞异质性问题使得寻找可靠的生物标志物和治疗靶点变得异常困难。

在这项发表于《iScience》的研究中，Tao Xu、Zhongzhi Wang、Hao Wu等研究人员采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)这一"高精度显微镜"，对3例正常皮肤(NS)、8例AK和3例cSCC样本中的65,485个细胞进行了解析，绘制了皮肤癌变过程的单细胞转录组图谱，揭示了角质形成细胞恶性转化的动态过程及其与免疫细胞的相互作用网络。

研究主要运用了单细胞RNA测序、免疫荧光染色、基因敲低、细胞增殖和迁移实验等关键技术方法。样本来源于14例临床皮肤组织（包括正常皮肤、光化性角化病和皮肤鳞状细胞癌），通过10x Genomics平台进行单细胞文库构建和测序，并利用功能实验验证关键信号通路。

单细胞表征正常、AK和cSCC皮肤的转录景观

研究人员通过单细胞转录组分析，成功鉴定出13种主要细胞类型，包括角质形成细胞(n=42,345)、T细胞(n=6,980)和B细胞(n=3,235)等。细胞比例分析显示，角质形成细胞、巨噬细胞和皮脂腺细胞在cSCC样本中更为丰富，而B细胞和内皮细胞在AK中更为普遍。这种细胞组成的动态变化提示皮肤微环境在癌变过程中经历了深刻的重塑。

NS-AK-cSCC转变过程中皮肤微环境的分子紊乱

通过差异表达基因和基因集富集分析，研究发现T细胞在cSCC中表现出更强的转录重编程，涉及干扰素反应和MYC靶标等通路。B细胞在AK中转录失调更为明显，而在cSCC中则表现出代谢重编程特征。角质形成细胞在AK和cSCC中均出现广泛的基因表达变化，其中63.4%的上调基因和71.0%的下调基因在两者中共享，表明存在连续的分子改变轨迹。

T细胞和B细胞亚群在NS-AK-cSCC转变中的特征

免疫细胞亚群分析揭示了七种T细胞亚型，包括CD4⁺中央记忆T细胞(T_CM)、CD8⁺T_CM、衰竭T细胞(T_Ex)、调节性T细胞(T_REG)等。有趣的是，T_REG在cSCC中显著富集，提示肿瘤微环境向免疫抑制状态转变。B细胞则分为抗原呈递B细胞、生发中心样B细胞和浆细胞三个亚群，其中浆细胞表现出高代谢活性和免疫激活通路下调的特征。

不同的角质形成细胞亚群是cSCC起始和进展的基础

角质形成细胞被进一步分为14个转录不同的亚群( Ker-1至Ker-14)。其中Ker-4、Ker-5、Ker-7、Ker-9、Ker-11和Ker-13主要富集于AK样本，而Ker-6、Ker-8、Ker-10和Ker-12与cSCC相关。拷贝数变异(CNV)分析显示，Ker-2、Ker-3、Ker-6、Ker-8和Ker-13在cSCC中CNV负荷显著增加，表明这些亚群具有恶性特征。

KRT6A⁺KRT16⁺角质形成细胞的逐步扩增和免疫串扰驱动正常-AK-cSCC转变

在众多角质形成细胞亚群中，Ker-6(KRT6A⁺KRT16⁺)表现出最显著的进行性扩增，从正常皮肤中的极少量(55个细胞)增加到cSCC中的平均每样本623个细胞。CNV分析显示Ker-6细胞在癌变过程中基因组不稳定性持续增加，特别是染色体1q21.3区域的扩增和16q13区域的缺失。功能分析表明，cSCC来源的Ker-6细胞中上调基因富集于缺氧反应、干扰素-γ反应等肿瘤相关通路。

IL-13/IL13RA1/IL4R信号轴在角质形成细胞增殖中的功能验证

配体-受体相互作用分析发现，Ker-6角质形成细胞通过IL13RA1/IL4R受体与HMGB2⁺T细胞来源的IL-13配体存在强烈相互作用。功能实验证实，IL-4/IL-13通路抑制剂可显著抑制HaCaT和HSC-5细胞的生长。通过短发夹RNA(shRNA)敲低IL13RA1和IL4R，角质形成细胞的增殖和迁移能力明显受损，且生存相关蛋白Bcl-xL和KRT17的表达下降，证实了IL-13信号轴在促进角质形成细胞增殖和迁移中的关键作用。

研究结论强调，这项单细胞转录组研究不仅描绘了皮肤癌变过程中的细胞和分子动态，更重要的是发现了一个逐步扩增的KRT6A⁺KRT16⁺角质形成细胞亚群，其通过IL-13/IL13RA1/IL4R信号轴与免疫细胞相互作用，推动恶性进展。这一发现为理解cSCC早期发展提供了细胞框架，并指出IL-13信号通路作为潜在治疗靶点的重要性。尽管研究在样本量和空间验证方面存在局限，但它为开发阻止AK向cSCC转化的早期干预策略提供了新的理论基础和潜在靶点。

该研究的创新之处在于首次在单细胞分辨率下系统描绘了正常皮肤-AK-cSCC转变的转录组图谱，鉴定出关键致病角质形成细胞亚群，并揭示了免疫细胞与上皮细胞之间新的相互作用网络。这些发现不仅深化了对皮肤癌变机制的理解，也为开发针对癌前病变的早期干预策略提供了重要线索。