研究背景
结直肠癌（Colorectal Cancer，CRC）在全球范围内是发病率第三、致死率第四的高发癌症。CRC 包含腺癌、类癌、肉瘤和淋巴瘤等，较为常见的是腺癌，占比高达 95%。这篇多组学文献是汤富酬教授和付卫教授团队联合发表于《GUT》，家族性腺瘤性息肉病（Familial Adenomatous Polyposis, FAP）是 CRC 的一种特殊病例，是由 APC 抑癌基因胚系突变导致的常染色体显性遗传的结直肠腺瘤综合征，同一个 FAP 患者可能同时取得低级别腺瘤、高级别腺瘤以及腺癌组织，避免了癌症机理研究中不同患者之间肿瘤组织的个体差异巨大的问题，为研究腺瘤向腺癌转化的过程提供了天然的研究模型。
研究思路
选取 6 例典型 FAP 患者、1 例非典型 FAP 患者（MUTYH 突变相关的结直肠多发腺瘤）通过全基因组浅测序和全外显子组深测序，深入的研究了来自于同一个 FAP 患者的多个病变组织之间的谱系发生关系以及良性腺瘤向恶性腺癌转变过程中的基因组变异情况。同时，为了研究腺瘤发生及腺瘤向腺癌恶变过程中的转录组动态变化，对 6 例典型 FAP 患者、1 例非典型 FAP 患者以及 2 例对照散发结直肠癌患者的 8757 个细胞进行了单细胞转录组测序。并以这些单细胞转录组数据为基础，重构了腺瘤发生以及腺瘤向腺癌恶化的转录组动态变化过程，系统的阐述了该过程中重要的基因表达变化事件。
研究结果
首先在基因组水平上（全基因组重测序和全外测序）比较来自于同一个患者的不同病变阶段的腺瘤和腺癌组织，发现相对于癌旁组织，即使是低级别腺瘤的体细胞突变数目已经明显增多。良性的高级别腺瘤的体细胞突变数目甚至可以比恶性腺癌的体细胞突变数目还高。出现频率高的潜在体细胞致病突变是抑癌基因 APC 基因。不同患者在其他潜在的致病基因的突变谱上表现出了强烈的个体间异质性。与以前的报道一致，APC 是人结肠直肠上皮细胞中的 gatekeeper 基因，APC 具有高的突变频率，包括体细胞突变，拷贝中性杂合性缺失和拷贝数变异。
同一 FAP 患者同时取到了低级别腺瘤、高级别腺瘤以及恶变的腺癌组织样本，这一优势非常适合于肿瘤克隆演化研究。结果发现病变始祖细胞分裂增殖后迁移到肠上皮组织的不同部位并进一步发展为腺瘤和腺癌。
（A）热图显示来自 FAP1 的所有样品中体细胞突变的区域分布。
（B）通过使用简约算法，从 FAP1 到不同病变阶段的系统进化树。
（C）同一细胞来源的示意图，表明 FAP1 的所有病灶样本均来自同一病变细胞。
（D）在由体细胞突变构建的 FAP1 的系统树上呈现了克隆或单个 CNA 和 cnLOH。
FAP 上皮细胞中显著上调的基因是 OLFM4，该基因被认为肠干细胞和 CRC 细胞亚群的标记物。另一个上调基因 ATF3 是一种致癌的抑制转录因子，可由缺氧诱导产生。对 FAP 上调基因的 GO 分析显示，上调基因在代谢过程中有很强的富集，包括肽生物合成、核苷酸代谢、氨基酸代谢、脂质代谢和碳水化合物代谢过程。MKI67 免疫组化染色证实 FAP 患者正常上皮细胞增殖活性增强。
（A）热图显示 FAP 患者相邻正常组织的上皮细胞（30 个差异基因）与散发性 CRC 患者相邻正常组织的上皮细胞（15 个基因）之间的差异。
（B）与 CRC 正常结肠上皮相比，在 FAP 结肠上皮中显示更高表达水平的基因的基因本体分析。
（C）FAP2 邻近正常组织和 CRC 患者（非 FAP）邻近正常组织中 MKI67 的免疫组织化学染色结果。
前述证据已说明来自同一病例的所有腺瘤腺癌样本均来自同一细胞，那么这些样本的转录组异质性情况如何呢。研究人员通过 tSNE 分析，将来自 FAP1 的所有上皮细胞分为四个簇。簇 1 和簇 2 主要由来自腺瘤 1 的三个区域（Ade1R1，Ade1R2 和 Ade1R3）和癌的第二区域（CarR2）的细胞组成。第三个簇主要由腺瘤 3（Ade3）和癌的第三区域（Car region3）的细胞组成。簇 4 主要由癌的一区域和四区域（CarR1 和 CarR4）的细胞组成。ANG，ANPEP 和 FGL1 在簇 2。与来自其他簇的细胞相比，簇 4 的细胞显示出不同的转录组特征。在簇 4 中特异性表达的基因在 WNT 信号传导途径、细胞增殖的负调控、上皮层的形态发生和细胞连接富集。
利用来自 FAP 患者癌旁组织、低级别腺瘤、高级别腺瘤、以及腺癌的上皮细胞之间的系统比较探究了腺瘤发生以及腺瘤向腺癌转变过程中转录组的动态变化。拟时序分析结果显示将随肿瘤发展呈现动态变化的基因按照其变化趋势分为了 4 类。三羧酸循环相关的代谢基表达因在良性腺瘤发生的早期就开始明显下调，反而在从良性腺瘤到恶性腺癌的转变过程中有所回升，但仍然低于癌旁组织中正常上皮细胞中的水平。这说明三羧酸循环代谢水平的降低是肿瘤发生过程中较早期事件之一，可能是治疗 FAP 患者的较好的治疗靶点通路。
这项研究实属基因组和转录组两大层次的强强联合，利用全基因组重测序和全外测序组合揭示出 FAP 基因组变异图谱，利用单细胞转录组测序构建了首张 FAP 转录组图谱。全基因组重测序和全外测序的组合可以得到更加全面的更加全面的 SNV/InDel/CNV 变异信息，全基因组重测序覆盖全面均一，CNV 检测准确；全外测序针对外显子区设计，在相同的通量下测序深度高，有利于 SNV、InDel 的检测。
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