单细胞多组学建模揭示细胞外基质促进早期转移事件的分子机制

本研究针对癌症转移过程中EMT（上皮-间质转化）机制研究的局限性，创新性地采用患者来源的细胞外基质（pdECM）培养结直肠癌类器官，通过单细胞多组学技术解析了TNF-α信号通路作为早期转移事件的关键作用，发现AP-1转录复合物通过调控MMP7等靶基因驱动侵袭表型。该研究为开发靶向治疗提供了更接近生理状态的实验模型，发表于《British Journal of Cancer》。

　　

癌症转移是导致90%肿瘤相关死亡的主要原因，其中上皮-间质转化（EMT）是驱动恶性细胞扩散的核心机制。然而，传统模型因缺乏人类基质成分而难以再现间质特征，且现有体外系统多依赖人工配制的基质成分或外源生长因子刺激，无法真实模拟体内微环境。这种局限性严重制约了对转移早期事件的认知，亟需建立更接近生理状态的实验体系。

韩国科学技术院Jung Kyoon Choi团队创新性地将结直肠癌类器官的培养基质从基底膜提取物（BME）转换为患者来源的细胞外基质（pdECM），通过单细胞多组学测序技术（同时分析转录组和表观基因组），揭示了pdECM自发诱导EMT的分子机制。研究发现，pdECM培养的类器官（pdECM-O）表现出细胞播散和运动性增强等侵袭表型，且这种变化无需外源配体刺激。通过重建EMT轨迹，研究首次发现TNF-α信号通路是早期转移的关键启动因素，而表观遗传改变导致AP-1转录复合物靶基因（如MMP7）的可及性增加，最终促进侵袭性表型。

关键技术方法包括：1）从16例患者结直肠组织中制备pdECM并进行质谱蛋白组学分析；2）将类器官从BME过渡到pdECM培养；3）使用10X Genomics平台进行单细胞多组学测序；4）通过Monocle3算法构建EMT轨迹；5）采用ELISA和抑制剂实验验证MMP7的功能。

pdECM replicates changes in cell-matrix interaction in organoid culture

研究团队通过质谱分析证实，pdECM富含I型和VI型胶原等间质基质成分，与BME的基底膜成分存在显著差异。类器官在pdECM中生长速度减缓，并出现细胞极性倒置（从顶-内模式转为顶-外模式），这种形态学改变暗示基质成分直接影响细胞行为。

pdECM organoids undergo EMT with an invasive phenotype

时间推移成像捕捉到pdECM-O的三种侵袭模式：单细胞播散、尖端样突起和集体迁移。转录组分析显示，pdECM-O中ANXA、KLK等侵袭相关基因上调，而WNT通路和干细胞标志物下调。单样本基因集富集分析（ssGSEA）证实pdECM-O显著激活间质特征、EMT和ECM降解通路。

Multimodal single-cell clustering of pdECM and BME organoids

通过加权最近邻算法（WNN）整合多组学数据，发现pdECM-O细胞可分为早期（富集TNF-α/TGF-β信号）和晚期（富集转移相关程序）两个阶段。晚期细胞表现出更高的EMT评分，且与62例临床样本的转录组特征高度吻合，证实该模型能更好模拟原位病变。

Multimodal analysis according to the EMT trajectory

伪时序分析揭示AP-1复合物（含FOS/FOSL亚基）在晚期EMT阶段特异性激活，其靶基因MMP7的表达与染色质可及性同步增加。抑制实验证实，AP-1抑制剂T-5224可降低MMP7表达，而MMP抑制剂能完全阻断细胞播散。

Transcriptional regulation of TNF-α pathway activity

早期EMT阶段以NF-κB调控的TNF-α信号为主，而晚期转为AP-1主导。调控元件分析发现，MMP7启动子区域富含AP-1结合位点的区域在晚期EMT中可及性显著增加。

Single-cell multiomic analysis of MMP7

ELISA检测显示pdECM-O培养上清中MMP7蛋白浓度是BME-O的3倍，且AP-1抑制剂处理可逆转该效应，证实了转录-蛋白水平的调控一致性。

这项研究通过构建pdECM类器官模型，首次揭示基质成分通过表观遗传重编程自发诱导EMT的完整轨迹。其重要意义在于：1）发现TNF-α/AP-1/MMP7轴是ECM驱动转移的新机制；2）证实pEMT（部分EMT）状态是主要转移表型，而非传统认知的完全EMT；3）建立的pdECM平台克服了传统模型缺乏人类基质复杂性的缺陷，为药物筛选提供了更可靠的生理相关系统。该研究为理解转移早期事件提供了全新视角，AP-1复合物和MMP7可能成为阻断转移的新靶点。