垂體是最重要最複雜的內分泌腺體之一，主要由五種激素細胞組成，包括生長激素細胞、催乳素細胞、促甲狀腺素細胞、促腎上腺皮質激素細胞和促性腺激素細胞，在生長發育、代謝調節、生殖以及應激等生理過程中發揮重要作用。每種激素細胞都有可能异常增殖形成腫瘤，即垂體神經內分泌腫瘤（Pituitary neuroendocrine tumors，PitNETs），又稱垂體腺瘤或垂體瘤，是第二大常見的顱內腫瘤，大約占顱內腫瘤的10%~16%。基因組學研究發現40~60%的生長激素瘤有GNAS基因突變，40~60%促腎上腺皮質激素瘤有USP8突變，但60%垂體瘤未發現基因突變，病因不明。
垂體瘤細胞中哪些基因的表達水准發生了异常變化？傳統轉錄組學未能有效解決這個問題。這是由於正常垂體組織中，五種類型的激素細胞互相混雜，傳統的群體細胞轉錄組學所檢測到的實際是“平均激素細胞”。由於缺乏正常對照資訊，群體細胞轉錄組學難以準確鑒定垂體瘤細胞中發生的基因表達變化。另外，多激素垂體瘤和侵襲性垂體瘤是否存在瘤內細胞異質性，也是尚未研究清楚的問題。
北京大學生物醫學前沿創新中心湯富酬教授和文路副研究員，與北京天壇醫院神經外科周大彪主任合作，在Neuro-oncology雜誌線上發表（2021年4月28日）題為“Single-cell transcriptome and genome analyses of pituitary neuroendocrine tumors”的研究論文。該研究對21個病人的23例垂體瘤組織樣本進行了單細胞轉錄組測序（2679個細胞），並對其中5例組織進行了單細胞多組學測序（238個細胞），為深入理解上述問題提供了新的視角（圖1）。該研究論文的主要發現包括：
圖1.垂體瘤病人臨床資訊
1）通過單細胞轉錄組的無監督式聚類可區分所有垂體瘤亞型，與臨床基於免疫組織化學的分類結果一致（圖2）。單細胞轉錄組測序還提供了一些新的有趣資訊。例如，一例垂體瘤（P11）同時表達促腎上腺皮質激素細胞關鍵轉錄因數T-PIT（TBX19）與促性腺激素細胞關鍵轉錄因數SF-1（NR5A1），其細胞在線性降維空間中位於兩個譜系之間，顯示其處於一種中間狀態。另一例垂體瘤（P14）被臨床診斷為零細胞垂體瘤，與促性腺激素瘤聚類，提示其細胞來源可能是促性腺激素細胞。
圖2.所有腫瘤細胞及重要轉錄因數的表達在PCA圖中的映射
2）我們分離鑒定出了三種正常垂體內分泌細胞：生長激素細胞、催乳素細胞和促性腺激素細胞，首次獲得這些成體垂體激素細胞類型的單細胞轉錄組圖譜。與相應腫瘤細胞類型比較，我們全面鑒定了生長激素垂體瘤、促性腺激素垂體瘤和催乳素垂體瘤的腫瘤差异表達基因譜（圖3A-3D）。生長激素瘤的差异表達基因以上調為主（76.1%，283/372），而促性腺激素瘤的以下調為主（84.3%，542/643）。生長激素瘤上調的基因中富集分泌相關基因如SCG3，可能與該腫瘤類型的功能亢進特徵有關。促性腺激素瘤下調基因中包括LHB和GNRHR等激素相關基因，與該腫瘤類型往往功能沉默有關；下調基因中還富集細胞週期負向調控基因如CDKN2A，表明該腫瘤類型發生了細胞增殖失調。值得指出，研究鑒定出了新的垂體瘤相關基因，如AMIGO2，在生長激素瘤與促性腺激素瘤中表達顯著增高（圖3E）。
圖3.A-D，垂體瘤腫瘤細胞和相對應的正常細胞的差异表達基因（A-C）和GO分析（D）。E，垂體瘤腫瘤相關基因在所有細胞中的表達水准
3）通過單細胞轉錄組分析，證實多激素垂體瘤中，多種激素相關基因及轉錄因數在單個細胞中共表達，未發現瘤內異質性（圖4）。在侵襲性瘤中，也未發現明顯的瘤內異質性。
圖4.PIT-1譜系垂體瘤和多激素垂體瘤中單細胞水准的激素相關基因表達
4）單細胞多組學分析表明，即使是基因組拷貝數紊亂的垂體瘤，單細胞層次也具有基本一致的拷貝數變異模式，表明其為單尅隆起源（圖5A）。但我們也鑒定到了少量的瘤內基因組拷貝數變異異質性（圖5B）。
圖5.P20（A）和P21（B）垂體瘤患者腫瘤細胞中的基因組拷貝數變異（CNV）情况
總之，本研究首次從單細胞水准上對垂體瘤轉錄組和基因組進行了較全面分析，解析了瘤間與瘤內異質性，鑒定了新的垂體瘤相關基因，為闡釋垂體瘤發病機理與發現治療靶點提供了新的線索。
北京大學生物醫學前沿創新中心崔月利博士、博士生蔣振寰、博士後張書博士和北京天壇醫院博士生李超為本文共同第一作者。北京大學未來基因診斷高精尖創新中心、生物醫學前沿創新中心、生命科學學院湯富酬教授和文路副研究員，與北京天壇醫院神經外科周大彪主任為該論文的共同通訊作者。該研究專案得到了國家自然科學基金委和北京大學未來基因診斷高精尖創新中心的支持。
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