《Neoplasia》：Integrating single-cell and spatial transcriptomics to dissect mast-cell heterogeneity and arginine-metabolism-associated markers in BRCA
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本研究针对乳腺癌肿瘤微环境中肥大细胞(MCs)异质性及其功能调控机制不清的问题，通过整合单细胞转录组、空间转录组及体外功能实验，系统解析了MCs的精氨酸代谢重编程特征。研究发现，基于精氨酸代谢活性的MCs高活性亚群(HAS)在三阴性乳腺癌(TNBC)中富集，并具有更强的分化潜能、细胞通讯能力（VEGF/TGF-β通路）及促肿瘤功能。研究鉴定出包含ARG1、ASL、OAT等基因的5基因预后特征模型(AUC=0.82)，并通过功能验证明确了OAT在调控乳腺癌细胞增殖、凋亡、迁移侵袭及上皮-间质转化(EMT)中的关键作用。该研究揭示了代谢重塑如何驱动MC功能极化，为乳腺癌的精准预后评估和代谢-免疫联合治疗提供了新靶点。
在全球范围内，乳腺癌依然是女性最常见的恶性肿瘤。尽管诊疗技术在不断进步，但肿瘤微环境的复杂性和异质性，特别是其中免疫细胞的功能状态，仍是影响疗效和预后的关键因素。在众多免疫细胞中，肥大细胞一直扮演着神秘的“双面角色”，有研究认为它能抑制肿瘤，也有证据显示它会促进癌症进展。这种矛盾现象的背后，很可能隐藏着我们尚未揭示的细胞“亚型”秘密。更前沿的观点认为，细胞的代谢状态是决定其功能特性的核心。其中，精氨酸代谢作为连接营养感知与免疫调节的关键枢纽，在肿瘤进展中发挥着“亦敌亦友”的复杂作用。然而，在乳腺癌中，肥大细胞是否存在与精氨酸代谢相关的功能亚群？这些亚群如何影响肿瘤的恶性进程？这成为领域内一个亟待解答的科学谜题。
为了系统解答这些问题，Mengli Gao, Yuge Ran, Juan Qi, Xiao Han, Yali Wei, Kunjie Wang, Xiaoxi Wu, Chengcheng Sun, Yanhong Li, Wenyan Wang, Wenjie Xie, Peng Zhang, Kuan Liu, Hongyun Shi的研究团队开展了一项多组学研究，其成果发表在《Neoplasia》上。他们通过整合多种高分辨率组学技术和功能实验，首次在乳腺癌中描绘了由精氨酸代谢定义的肥大细胞功能亚群图谱，并揭示了其促肿瘤机制和临床转化潜力。
为开展这项研究，作者们运用了多个关键技术方法。他们从公共数据库（GEO、TCGA）和自有临床样本中整合了多组学数据，核心包括：利用单细胞RNA测序数据集（GSE161529，共272,592个细胞）构建乳腺癌单细胞图谱并鉴定细胞类型；运用多种算法（AUCell, UCell, AddModuleScore, singscore）计算细胞的精氨酸代谢评分；整合空间转录组学数据（GSE243022）验证分子表达的空间分布；通过细胞通讯分析（CellChat）、伪时序分析（Monocle2）、加权基因共表达网络分析（hdWGCNA）和机器学习建模（LASSO-Cox）来探索细胞动态、互作网络和预后特征；最后，在临床TNBC组织和乳腺癌细胞系（MDA-MB-468, MDA-MB-361）中，通过siRNA敲低、CCK-8、流式细胞术、Transwell和蛋白质印迹法等实验对关键基因OAT进行功能验证。
研究结果主要包含以下几方面：
1. 构建BRCA单细胞图谱和精确细胞类型注释
通过对GSE161529数据集的分析，研究者获得了包含272,592个细胞的单细胞图谱，并将其注释为8种主要细胞类型，包括上皮细胞、成纤维细胞、T/NK细胞、B细胞、浆细胞、髓系细胞以及肥大细胞，为后续分析奠定了坚实基础。
2. 多尺度分析BRCA中异常的精氨酸代谢激活和TME异质性
分析发现，在TCGA和GSE42568数据集中，乳腺癌组织的精氨酸代谢评分显著高于癌旁正常组织。在单细胞水平，肥大细胞等特定细胞类型表现出较高的精氨酸代谢活性，且肿瘤样本中的肥大细胞评分也显著更高。空间转录组数据进一步证实，肿瘤区域具有更高的精氨酸代谢评分。
3. 肥大细胞内的精氨酸代谢异质性驱动分化潜能和TNBC富集特征
根据精氨酸代谢评分中位数，研究者将肥大细胞分为高活性亚群(HAS)和低活性亚群(LAS)。HAS细胞占总肥大细胞的18.7%，其分化潜能显著高于LAS细胞，且精氨酸代谢评分与细胞分化程度呈正相关。伪时序轨迹分析显示细胞分化存在从LAS向HAS发展的趋势。值得注意的是，HAS细胞显著富集于三阴性乳腺癌样本中，并且其肿瘤风险评分(TRS)也更高。
4. 高代谢活性肥大细胞亚群展现出增强的通讯能力和代谢相关通路富集
细胞通讯分析揭示，HAS肥大细胞的传入信号强度是LAS细胞的1.8倍，其中VEGF和TGF-β信号通路最为活跃。HAS细胞与内皮细胞等之间的配体-受体互作也显著增强。功能富集分析表明，HAS细胞在细胞周期、糖酵解、以及精氨酸和谷氨酰胺代谢通路上显著富集。
5. hdWGCNA鉴定HAS肥大细胞中的关键模块和核心差异表达基因
通过hdWGCNA共表达网络分析，研究者构建了19个基因模块。其中，青色(cyan)和绿色(green)模块与HAS细胞相关性最强，包含了214个在HAS中上调的基因，这些基因主要驱动细胞周期和精氨酸/谷氨酰胺代谢。
6. 构建基于精氨酸代谢特征基因的BRCA预后模型及临床价值评估
研究者利用LASSO-Cox回归模型，从精氨酸代谢相关基因中筛选出5个关键基因（ARG1, NOS2, ASL, OAT, AZIN1）构建预后风险模型。该模型在预测患者5年生存率时表现出色，曲线下面积(AUC)达到0.82，风险评分是独立的预后因素（风险比HR=1.68）。整合临床病理特征的列线图及决策曲线分析(DCA)均证实了该模型的良好预测效能和临床实用性。
7. 高表达ASL的肥大细胞亚群增强肿瘤通讯并作为潜在的TNBC标志物
在5基因特征中，ASL和OAT在TNBC样本中表达显著升高。其中，ASL在区分肿瘤与正常组织方面表现出极高的诊断效能（AUC=0.89）。单细胞和空间分析显示，高表达ASL的肥大细胞与HAS亚群高度重叠，并且该亚群与上皮细胞、成纤维细胞的通讯强度显著增强，尤其在MIF和SPP1信号通路上。ASL?. (K–L) Bubble plots: ASL+ cells display more ligand–receptor pairs.">
8. OAT作为连接HAS肥大细胞表型与侵袭性肿瘤行为之间的分子桥梁
功能实验验证了关键基因OAT的促癌作用。OAT在乳腺癌组织和细胞系（尤其是MDA-MB-468和MDA-MB-361）中高表达。敲低OAT能显著抑制乳腺癌细胞的增殖、诱导细胞凋亡、并削弱其迁移和侵袭能力。在分子机制上，OAT敲低导致凋亡相关蛋白cleaved caspase-3上调、Bcl-2下调，并抑制上皮-间质转化(EMT)，表现为E-cadherin表达升高而Vimentin表达降低。
归纳研究结论与讨论：本研究的核心结论是，精氨酸代谢重塑是定义乳腺癌肿瘤微环境中肥大细胞功能异质性的关键驱动力。它将该细胞群体划分为促肿瘤的高活性亚群(HAS)和相对静息的低活性亚群(LAS)。HAS细胞在侵袭性更强的三阴性乳腺癌中富集，具备更高的分化潜能，并通过活跃的VEGF/TGF-β等信号通路与肿瘤微环境中其他细胞形成紧密的通讯网络，共同营造了一个免疫抑制和促血管生成的微环境。研究构建的五基因精氨酸代谢特征和其中关键酶ASL、OAT，不仅作为强大的预后和诊断生物标志物，更揭示了可靶向治疗的代谢-免疫检查点。特别是OAT，被证明通过调控细胞凋亡和EMT进程，直接促进乳腺癌的增殖、存活和侵袭行为。这项研究将肥大细胞从传统的细胞因子释放者，重新定位为受代谢重编程控制的、活跃的肿瘤微环境“建筑师”，为理解乳腺癌进展机制提供了新视角，并为开发针对特定代谢亚群的精准治疗策略（如精氨酸剥夺疗法联合免疫治疗）提供了重要的理论依据和候选靶点。
