VANGL1关联血管生成–肿瘤干细胞干性(cancer stemness)程序及肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)重塑：一项伴翻译验证的泛癌(pan-cancer)多组学研究

《Frontiers in Oncology》：VANGL1 links angiogenesis–stemness programs and tumor microenvironment remodeling: a pan-cancer, multi-omics study with translational validation

　　

背景(Background)：肿瘤微环境(TME)是决定癌症进展的关键因素，但跨恶性肿瘤类型调控微环境重塑的主导调节因子仍不清楚。VANGL1(VANGL Planar Cell Polarity Protein 1)是平面细胞极性(PCP)通路核心组分，参与组织形态发生，但其在泛癌中的表达谱及TME调控机制尚未阐明。方法(Methods)：研究人员使用泛癌33种肿瘤类型的批量转录组(bulk transcriptomic)、单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)及空间转录组(spatial transcriptomic)数据集对VANGL1进行综合性泛癌分析；采用CellChat解析细胞间通讯；通过蛋白互作(PPI)网络、CancerSEA数据库及基因集富集分析(GSEA)探究功能机制；实验验证采用PC9(肺腺癌)、HCT116(结直肠癌)及Bel7402(肝细胞癌)细胞的基因敲低(loss-of-function)研究、患者来源肿瘤类器官(patient-derived tumor organoids, PDO)及肝细胞癌干细胞来源异种移植(xenograft)模型。结果(Results)：VANGL1在多种实体瘤中显著上调且与不良预后相关；单细胞分析显示VANGL1+恶性细胞通过MIF(macrophage migration inhibitory factor)、VEGF(vascular endothelial growth factor)、ANGPTL(angiopoietin-like)通路与成纤维细胞、内皮细胞及免疫细胞增强通讯；机制上VANGL1整合Wnt/Notch/mTOR信号与肿瘤干细胞干性(cancer stemness)及血管生成；VANGL1敲低在体外抑制细胞增殖、迁移和侵袭，在体内减弱肿瘤生长、血管生成及肿瘤干细胞维持。结论(Conclusions)：本研究确定VANGL1为整合肿瘤干细胞干性、血管生成及微环境重塑的泛癌主导调节因子(master regulator)，为靶向VANGL1驱动的TME微生态(niche)提供了治疗依据。

论文解读：《VANGL1 links angiogenesis–stemness programs and tumor microenvironment remodeling: a pan-cancer, multi-omics study with translational validation》发表于《Frontiers in Oncology》

研究背景与立项依据

肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)由恶性细胞、癌相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)、内皮细胞、免疫浸润及细胞外基质构成，通过细胞间配体–受体相互作用调控血管生成、免疫抑制及肿瘤干细胞(cancer stem cell, CSC)维持，决定癌症进展与治疗反应。然而，能跨多种恶性肿瘤整合上述过程的分子主导调节因子(master regulator)尚不完全清楚。VANGL1(VANGL Planar Cell Polarity Protein 1)是平面细胞极性(planar cell polarity, PCP)通路核心组分，经典功能为介导胚胎发育中极化细胞取向与集体细胞迁移，其与Dishevelled、Prickle及Frizzled蛋白互作。虽有报道PCP通路参与癌细胞迁移侵袭，但VANGL1在肿瘤生物学特别是TME调控中的作用未明。鉴于发育信号通路常在肿瘤中被劫持以维持细胞可塑性与侵袭表型，研究人员假设VANGL1可作为保守的肿瘤–微环境互作调节因子，跨实体瘤整合肿瘤干细胞干性、血管生成与基质重塑，并开展此项泛癌多组学结合功能验证的研究。

主要技术方法与数据来源

研究人员整合TCGA(The Cancer Genome Atlas)肿瘤转录组与GTEx(Genotype-Tissue Expression)正常组织转录组行泛癌差异表达、生存及诊断效能(ROC)分析；CPTAC(Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium)数据库获取蛋白水平验证数据；采用TIMER 2.0多种算法(CIBERSORT、EPIC、xCell、MCP-counter、quanTIseq)行TME去卷积分析；利用TISCH2数据库scRNA-seq及Sparkle数据库空间转录组数据注释细胞类型并以CellChat推断细胞–细胞通讯；通过STRING构建VANGL1中心蛋白互作(PPI)网络，clusterProfiler行GO(Gene Ontology)与KEGG富集，CancerSEA评估14种肿瘤细胞功能状态，GSEA与ssGSEA评估Hallmark及血管生成(WP1539)特征；整合GSCA拷贝数(GISTIC2.0)、450K甲基化芯片及m⁶A相关写入/擦除/读取子相关性分析多层调控机制。功能实验使用PC9(LUAD)、HCT116(COAD)及Bel7402(LIHC)细胞系行siRNA敲低，CCK-8测增殖、Transwell测迁移侵袭、Annexin V–FITC/PI流式细胞术测凋亡、sphere formation assay测干性、Matrigel tube formation assay测血管样结构形成；患者来源肿瘤类器官(PDO)行IHC；T3A-A1肝细胞癌干细胞稳转shVANGL1建立NCG小鼠皮下异种移植模型，终点取瘤行重量体积测量及CD31、α-SMA、ALDH1、CD90、VANGL1免疫荧光(IF)染色与微血管密度(microvessel density, MVD)量化。

研究结果

3.1 VANGL1 is upregulated and predicts poor prognosis pan-cancer

比对TCGA 33种肿瘤与GTEx正常组织，VANGL1在17种肿瘤中异常表达——包括BRCA、LIHC、LUAD、LUSC、STAD、LGG、SKCM、THYM、OV等13种实体瘤显著上调，THCA与KICH等4种下调；CPTAC蛋白数据与组织微阵列(TMA, n=42)IHC验证蛋白水平同样在肿瘤中升高。高VANGL1表达与肿瘤发生风险增加相关(AUC最高达~0.98, OV)，具诊断潜能。

3.2 Survival associations, clinicopathologic correlates, and diagnostic performance of VANGL1

高VANGL1组总生存期(OS)与疾病特异生存期(DSS)更差——LGG(HR 1.97)、LIHC(HR 1.49)、LUAD(HR 1.64)，均P<0.001；Kaplan–Meier曲线明显分层。VANGL1随LIHC与LUAD病理分期、LGG WHO分级升高而升高。多组学调控分析示READ、UVM、LUSC、LUAD中拷贝数增益与mRNA正相关；LGG/GBM、BRCA、LUSC、LUAD中启动子区低甲基化伴随高表达；VANGL1与m⁶A调控因子(METTL3/METTL14、FTO、YTHDF1/2/3)在各癌中显著共变，表明其受基因组、表观遗传及转录后多层调控。

3.3 Multi-omics correlates of VANGL1 dysregulation

空间转录组(NSCLC、LIHC、CRC、OV)显示VANGL1信号主要富集于恶性上皮细胞区域，恶性细胞占比高的组织点位VANGL1表达更强；CellChat提示VANGL1⁺恶性细胞与成纤维细胞、内皮细胞及特定免疫细胞存在潜在配体–受体互作。scRNA-seq(TISCH2)验证VANGL1主要定位于恶性上皮细胞，胃癌(STAD)数据还发现VANGL1在内皮细胞中显著富集且VANGL1⁺细胞中内皮细胞比例更高，提示VANGL1具多细胞类型调控作用。

3.4 VANGL1 orchestrates pro-tumorigenic tumor microenvironment remodeling across multiple cancer types

CellChat分析示LUAD、LIHC、CRC、OV中VANGL1⁺恶性细胞较VANGL1^?细胞传出信号增强，特征为上调整合MIF、GALECTIN、SPP1(secreted phosphoprotein 1)、VEGF、ANGPTL(angiopoietin-like)、EGF配体分泌，同时接收自 fibroblast、内皮细胞及髓系细胞的传入信号，形成双向TME互作。网络图显示VANGL1⁺恶性细胞与CD8⁺T、CD4⁺T、B细胞、M1/M2巨噬细胞及成纤维细胞连接增强；LIHC中偏好与Treg(regulatory T cell)、耗竭CD8⁺T(CD8⁺Tex)、增殖T细胞(T_prolif)互作；CRC与OV凸显与肌成纤维细胞、内皮细胞及单核/巨噬细胞互作暗示促纤维增生与促血管生成微生态(niche)形成。STAD中VANGL1⁺内皮细胞较VANGL1^?内皮细胞接收恶性细胞信号增强并与CD8⁺T、B细胞及单核/巨噬细胞互作扩大，提示VANGL1参与血管正常化与免疫细胞招募。泛癌免疫去卷积确认VANGL1与各癌独特免疫浸润模式相关。

3.5 VANGL1 drives functional plasticity and stemness maintenance through polarity and oncogenic signaling

VANGL1中心PPI网络GO富集于平面细胞极性与组织极性建立；KEGG富集顶列为Wnt signaling、Notch signaling、mTOR signaling及proteoglycans in cancer。CancerSEA示LIHC与LUAD中VANGL1与血管生成、细胞周期、上皮–间质转化(epithelial–mesenchymal transition, EMT)、DNA修复正相关。泛癌KEGG示VANGL1关联基因富集于黏着斑(focal adhesion)、PI3K-Akt、ECM–receptor interaction。GSEA显示VANGL1高表达显著富集肿瘤干细胞特征签名(signature)，LUAD、COAD、LIHC均达显著性，证实VANGL1参与CSC维持。

3.6 VANGL1 associates with angiogenesis and stemness programs

体外siRNA敲低VANGL1(经Western blot验证)显著抑制PC9、HCT116、Bel7402增殖、迁移、侵袭并促进凋亡。PDO中VANGL1呈强异质性表达且富集于类器官外周/侵袭前沿。ssGSEA血管生成特征(WP1539)与VANGL1在多数癌中显著正相关。患者肿瘤组织IF双标示VANGL1(red)与CSC标记ALDH1(green)共定位，富集于ALDH1⁺干细胞样群体。sphere formation assay中VANGL1敲低显著降低HCT116与HepG2球体数目与直径，证实VANGL1促进肿瘤自我更新能力。

3.7 VANGL1 depletion suppresses tumor growth, angiogenesis, and cancer stemness in vivo

T3A-A1肝癌干细胞稳转shVANGL1皮下异种移植显示VANGL1敲低组肿瘤体积与重量显著减小。IF示shVANGL1组α-SMA⁺CAFs减少，CD31染色示对照组不规则扩张血管腔变为敲低组修剪后离散毛细血管——微血管密度(MVD)与平均管径均下降，提示VANGL1维持异常不成熟肿瘤血管网。ALDH1⁺CSC与CD90⁺间质/间质样细胞在敲低组明显减少。A1肝癌干细胞样细胞Matrigel tube formation assay中shVANGL1显著削弱血管样管网形成。综上VANGL1是肝癌干细胞驱动致瘤、血管异常及CSC微生态维持的关键分子。

讨论与结论总结

本研究鉴定VANGL1为跨实体瘤协调肿瘤干细胞干性、血管生成及免疫–基质互作的泛癌主导调节因子。VANGL1在多种肿瘤上调且预示不良预后；空间与单细胞解析确认VANGL1⁺恶性(部分癌中内皮)细胞通过MIF、VEGF、ANGPTL等通路增强TME双向通讯；机制上VANGL1桥接PCP/Wnt/Notch/mTOR信号与干性及血管生成程序；功能实验证沉默VANGL1抑制增殖迁移侵袭、削弱球体形成与体内致瘤性、促使异常肿瘤血管结构修剪并减少CSC及CAF。作者指出局限含：功能验证深度因癌种而异(以LIHC最详)、未行VANGL1与CD31共染MVD直接关联、Matrigel管形成使用肿瘤干细胞样细胞而非HUVEC条件培养基(paracrine效应待证)、NCG免疫缺陷鼠未评估免疫重构及皮下而非原位移植未完全模拟肝微环境。综上，Our study identifies VANGL1 as a pan-cancer master regulator integrating cancer stemness, angiogenesis, and microenvironmental remodeling, establishing therapeutic rationale for targeting the VANGL1-driven TME niche.（本研究确定VANGL1是整合肿瘤干细胞干性、血管生成及微环境重塑的泛癌主导调节因子，为靶向VANGL1驱动的肿瘤微环境微生态提供了治疗依据。）