克隆进化与转录可塑性协同塑造前列腺癌转移路径的单细胞多组学解析

《Nature Communications》：Clonal evolution and transcriptional plasticity shape metastatic dissemination routes in prostate cancer

本研究针对前列腺癌高度异质性及转移机制不清的关键问题，通过整合43例空间多区域样本的单核RNA测序（snRNA-seq）与全基因组测序（WGS），在单细胞分辨率下重构了转移过程中的克隆进化轨迹与转录重编程。研究发现转移播散存在单系与多系并存模式，并揭示雄激素受体（AR）信号抑制、JAK-STAT通路激活等转录可塑性特征是驱动转移的关键机制。该研究为前列腺癌转移预警提供了超越病理分级的整合性生物标志物框架。

　　

前列腺癌作为男性高发恶性肿瘤，其病程漫长且具有高度异质性，虽多数患者预后良好，但部分病例会进展为致命性转移性疾病。这种异质性既源于基因组层面的克隆多样性，也受到肿瘤微环境（TME）和转录可塑性的共同调控。然而，由于技术限制，以往研究多基于单点活检的 bulk 测序，难以揭示肿瘤内部空间异质性及转移克隆的起源特征。尤其令人困惑的是：为何某些看似低恶性度的肿瘤区域会孕育出转移性克隆？驱动转移的关键分子开关是什么？

为攻克这一难题，发表于《Nature Communications》的最新研究创新性地整合了单核转录组（snRNA-seq）与低深度全基因组测序（low-pass WGS），对5例局部晚期前列腺癌患者的43个空间定位样本进行多组学分析。研究不仅重构了高分辨率的克隆进化树，更发现转移播散存在“单系起源”（monophyletic）与“多系起源”（polyphyletic）并存的现象，甚至观测到原发性肿瘤在转移发生后仍持续进化的证据。值得注意的是，转移克隆表现出显著的转录可塑性，包括AR信号失活、JAK-STAT通路激活、雌激素样信号及WNT通路活化等共同特征。这些发现提示，前列腺癌的转移并非单纯由基因组突变驱动，而是克隆进化与细胞可塑性复杂互作的结果。

关键技术方法概述

研究团队采用病理引导的空间多区域采样策略，从前列腺根治术标本中获取10个高肿瘤纯度（>80%）区域及匹配淋巴结转移（LNM）样本。通过优化单核分离流程，结合10X Genomics平台完成snRNA-seq文库构建，同步提取同一核群DNA进行低深度WGS。细胞类型鉴定通过scPred、SELINA等多算法整合完成，恶性细胞拷贝数变异（CNA）由Numbat推断，系统发育树经MEDICC2构建。通路活性通过decoupleR计算PROGENy和CollecTRI数据库的富集得分，空间关联分析采用基尼系数、香农熵等指标。

研究结果

病理引导的多组学揭示肿瘤空间异质性

通过对5例患者356,000余个单核的分析，研究发现64.9%为恶性上皮细胞，并鉴定出罕见细胞状态如纤毛型（0.46%）和增殖型（1.0%）肿瘤细胞。样本间TME组成差异显著，熵值范围0.3–2.7，其中PCAL25（接受新辅助ADT治疗）表现出33.9%的高基质成分，而PCAL37的肿瘤细胞比例达81%。基尼系数显示恶性细胞分布均匀，但B细胞等免疫细胞呈空间聚集性。

单细胞系统发育树揭示多系转移模式

整合CNA谱构建的进化树显示，所有肿瘤均存在广泛分支结构。例如PCAL10中，二倍体分支的PCAL10-C2克隆（癌细胞分数CCF=0.459）通过单系播散至淋巴结，其所在区域虽Gleason分级较低，却携带MSH2双等位基因缺失及MMR缺陷特征。该克隆特异性激活JAK-STAT通路（P<1×10^?120），且AR活性显著低于非转移克隆（P=9×10^?24）。此外，PCAL25中观察到染色体碎裂（chromothripsis）后多系转移至两个淋巴结，转移克隆分别呈现WNT通路活化或AR-JAK-STAT协同激活的转录异质性。

空间定位与转移潜能的关联

主成分分析发现，转移倾向区域定位于前列腺外围，与纤毛细胞（富集TRAIL通路）的中央分布形成互补。这些区域表现为低AR活性、高雌激素信号（P=0.017, R=0.39）及WNT通路激活，且与增殖型肿瘤细胞空间共定位。值得注意的是，高免疫浸润的“热”肿瘤区域（如MSH2缺失区）与JAK-STAT信号抑制相关，提示免疫编辑与克隆进化互作。

结论与展望

本研究通过空间多组学策略，揭示了前列腺癌转移的双引擎模型：克隆进化提供基因多样性基础，而转录可塑性（如AR独立性、JAK-STAT/WNT通路重编程）则是决定转移克隆竞争力的关键。临床层面，研究指出单点活检可能漏检多系转移事件，且Gleason分级无法完全预测转移风险，呼吁将空间多区域基因组学纳入预后评估体系。此外，罕见细胞状态（如纤毛细胞）与特定TME的互作、以及MSH2缺失相关的免疫表型，为前列腺癌的免疫治疗策略提供了新方向。未来需扩大队列验证JAK-STAT等通路的普适性，并探索靶向转录可塑性的联合疗法，以遏制致命性转移的发生。