化生（Metaplasia）是一種已分化細胞轉變成了另一種型別的分化細胞，通常與惡性腫瘤風險增加有關，通常發生在不同上皮型別相遇的部位，例如鱗狀柱狀交界處 (squamo-columnar junctions, SCJ)。巴雷特食管(Barrett’s esophagus, BE)就是一種典型的化生性疾病，包含胃和腸細胞型別的鑲嵌，其發展為食管腺癌 (esophageal adenocarcinoma, EAC) 的風險增加，該病的5年總生存率僅為15%。EAC的腺狀表型被認為與BE密不可分，然而，大約 50%的EAC患者在診斷時並沒有BE的證據【1】，因此對EAC來源於BE的說法提出了質疑。
圖：H&E染色提示小腸上皮細胞鱗狀至柱狀細胞化生
這種爭議可以透過確定BE的起源來解決，BE被認為可能起源於食管黏膜下腺體 (esophageal submucosal glands, SMG)或胃食管交界處 (gastroesophageal junction, GEJ)的各種特定細胞群【2】，然而，研究存在一個主要障礙，用於譜系追蹤的小鼠模型與人類胃食管的生理特徵並不完全相似，且直接從人體組織中分離新鮮的SMG也具有挑戰性。因此，截至目前，EAC和BE的細胞來源仍然是謎。
不久前，來自英國劍橋大學的Rebecca C. Fitzgerald團隊在Science雜誌上發表了一篇題為Molecular phenotyping reveals the identity of Barrett’s esophagus and its malignant transition 的文章，這項研究分別從健康和患病人體採集了跨食管-胃連線處的組織樣本，透過單細胞轉錄組分析、甲基化譜系追蹤、開放染色質和體細胞突變分析以及類器官模型的功能研究的組合表明，BE透過 c-MYC和HNF4A驅動的轉錄程式起源於胃賁門。此外，該研究還表明即使沒有病理學可識別的化生前體，EAC也可能源自未分化的BE細胞型別，提出了對EAC的早期篩查策略。
SMG和GEJ雖然被研究為BE的起源，但從未被分離出來具體分析。研究人員從人類無病供體中分離出新鮮SMG和SCJ組織，透過scRNA-seq對所有細胞型別進行表徵。在SCJ組織中，除了預期的食管鱗狀細胞和胃柱狀細胞外，還存在一個小的KRT7high群體，當將SCJ單細胞轉錄組譜與來自正常食道 (NE)、正常胃賁門 (NG) 和正常SMG的資料進行比較時，這組KRT7high群體與SMG細胞表現出最高的相似性，提示這兩種細胞可能共享同一起源。
在確認了SMG和SCJ細胞型別之後，作者進一步對包含無病和BE供體的七個不同組織部位43個樣本的43000個細胞進行scRNA-seq分析。在BE樣本中，除了先前已經表徵的細胞型別，作者還確定了一種未分化的BE細胞型別。透過層次聚類重建所有細胞型別的譜系關係，BE細胞與與NG細胞表現出最強的相似性。為了更加深入的瞭解這種相似性，作者使用三種譜系追蹤方法，即甲基化譜系追蹤、ATAC-seq和全基因組測序，進一步證明了NG和BE細胞具有最相似的甲基化圖譜、染色質可及性特徵，甚至在五分之四的BE患者中發現的突變均在BE和NG之間共享。
為了研究BE發展的轉錄機制，作者對BE和NG分化不同階段之間的差異表達基因進行了GSEA分析，並推斷每種組織的未分化細胞之間的差異可能是BE發展的關鍵。NG和BE未分化表型的差異分析確定了BE中CDX1、CDX2 和 MYC 模組的啟用，而BE柱狀分化細胞與未分化細胞的進一步比較顯示，前者的轉錄因子HNF4A被啟用，後者的MYC被啟用。在蛋白水平上，66份腸化生BE活檢中的61份檢測到c-MYC，且表達僅限於隱窩底部，而所有64份正常胃活檢樣本中均無c-MYC表達。類似地，66份BE活檢和64份胃活檢均呈現HNF4A陽性，但僅限於BE隱窩的前三分之二，恰好與c-MYC相反。為了闡明這些發現的功能相關性，作者從無病NG組織中建立了類器官培養物，並分別轉導了GFP標記的c-MYC和HNF4A。c-MYC 的異位表達導致未分化 BE 細胞特徵基因的上調，而HNF4A導致更廣泛的BE基因組上調，提示c-MYC和HNF4A在胃細胞中的異位表達驅動了與BE相關的基因表達上調（圖1）。
圖1. a. BE和NG活檢中MYC和HNF4A在單個隱窩中免疫組化染色結果；b-c. NG類器官的產生和慢病毒轉導
考慮到BE存在與否與EAC的預後有關【1】，那麼是否所有EAC都來源於BE呢？作者透過對食管癌的大量RNA-seq資料進行分析【4-6】，發現EAC與BE 細胞的相似性與其臨床特徵無關。在從BE到EAC的過渡期間，分化的BE細胞基因表達降低，而未分化的基因則保持不變，這些結果提示即使診斷或病理標本中BE化生情況不明顯，EAC也來自於一個統一的化生前體起源（圖2）。
圖2. 上圖展示了分化或未分化BE的轉錄組與其他樣本細胞的相似性（EAC+/-分別代表有無BE）；下圖為EAC進展模式圖
總的來說，這項研究表明，來自賁門的未分化胃細胞透過由c-MYC和HNF4A驅動的轉錄程式產生BE，EAC可能透過BE樣化生來自於胃細胞，但其進化軌跡和預後可能因患者而異。這項研究實現了對健康和患病個體新鮮分離的人類細胞進行全面的多組學分析，雖然轉錄相似性可能並不能直接證明因果關係，但也為BE的胃起源提供了幾個正交證據，能夠為進一步研究以及制定臨床早期檢測和預防癌症策略提供幫助。
針對這項研究，同期雜誌上發表了觀點文章：The cell of origin for Barrett’s esophagus。文章認為由於BE的鑑定和EAC的監測有其侷限性，更好地瞭解起源細胞和參與化生進展的過程有助於鑑定EAC的生物標誌物，Nowicki-Osuch等人發現無論有無BE病理特徵或臨床表現，EAC可以表達未分化BE細胞的標記，這可能指向具有惡性轉化潛力的特定前體病變：如果可以證實 EAC 中存在未分化的BE細胞，而與化生的存在無關，這可能導致篩查程式的急劇轉變，從而更多地關注反流和由此產生的分子變化的檢測，而不是檢測BE。
原文連結：
http://doi.org/10.1126/science.abd1449
製版人：十一
參考文獻
1. T. Sawas et al., Gastroenterology 155, 1720–1728.e4 (2018).
2. S. J. Leedham et al., Gut 57, 1041–1048 (2008).
