病理组学（pathomics）与单细胞转录组学（single-cell transcriptomics）多模态整合揭示CDC20作为前列腺癌复发与苯并[a]芘（benzo[a]pyrene，BaP）响应表型之间的关联节点

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Multimodal integration of pathomics and single-cell transcriptomics reveals CDC20 as a link between prostate cancer recurrence and benzo[a]pyrene-responsive phenotypes

　　

引言：前列腺癌复发反映分子与组织学异质性，携带复发相关信号的细胞状态及其潜在环境修饰因素仍未被充分理解。方法：研究人员整合了单细胞RNA测序（scRNA-seq）、带复发注释的批量转录组（bulk transcriptomes）、定量组织病理学（quantitative histopathology）、跨队列生存建模（cross-cohort survival modeling）、反向网络毒理学（reverse network toxicology）、分子模拟（molecular simulation）与细胞扰动实验（cellular perturbation experiments）。结果：对GSE141445的36,025个细胞分析鉴定出14,464个恶性腔面上皮细胞（malignant luminal epithelial cells）；Scissor识别出一个富集黏附、迁移、血管生成与增殖程序的复发相关转录状态；304例配对TCGA-PRAD的H&E衍生特征捕获该转录程序变异并支持内部复发风险分层；跨队列建模优先出CDC20、ENSA与PTTG1；反向毒理学进一步优先出苯并[a]芘（BaP），CDC20显示最有利的预测BaP对接分数；在PC-3与DU145细胞中，10 nM BaP升高CDC20表达，而CDC20沉默减弱BaP相关的增殖、集落形成、伤口闭合与迁移。讨论：这些发现将CDC20确定为参与BaP响应恶性生物学表型的复发相关分子节点，并提供表型锚定框架，联系复发生物学与环境暴露相关肿瘤行为。

研究背景方面，前列腺癌是男性常见恶性肿瘤，传统临床变量如前列腺特异性抗原（PSA）、病理分期、Gleason分级、淋巴结状态与手术切缘状态不能完全解释治疗后结局差异。批量转录组只能反映肿瘤平均分子状态，难以把临床信号归因到具体细胞群体；单细胞RNA测序（scRNA-seq）可解析恶性上皮与微环境细胞状态，Scissor能把批量表型与单个细胞基于表达相似性和网络约束回归联系起来，但这类标签更适合解释为表型相关转录状态而非固定谱系。数字病理中常规苏木精—伊红（H&E）图像包含与生化复发和风险分层相关的特征，而环境暴露进一步增加异质性：多环芳烃（PAH）经不完全燃烧产生，苯并[a]芘（benzo[a]pyrene，BaP）可被芳香烃受体（AhR）调控的CYP1A1与CYP1B1代谢活化为反应性中间体；前列腺组织PAH—DNA加合物与术后早期生化复发相关。细胞周期素20（CDC20）是后期促进复合体/环体（APC/C）共激活因子，在前列腺癌中与不良病理特征和较短生化无复发生存相关，但CDC20是否参与BaP响应表型仍缺乏直接功能证据。因此，研究人员开展表型锚定的多模态整合研究，论文发表于《Frontiers in Cell and Developmental Biology》。

主要关键技术方法上，研究人员使用GSE141445进行单细胞分析；TCGA-PRAD获取RNA测序、临床注释与诊断性H&E全切片图像（WSI），经质控保留304例；DKFZ2018经cBioPortal获取，GSE21032与GSE70768经GEO获取用于跨队列评估。方法包括Seurat处理与Harmony批次整合、Scissor表型映射、ResNet-50深度学习特征与CellProfiler手工特征提取、GSVA（基因集变异分析）关联病理组学与转录程序、Mime框架内101种机器学习组合进行WSI风险建模、101种生存学习算法组合进行跨队列转录组生存建模、CTD（比较毒理基因组数据库）反向网络毒理学、AutoDock分子对接与GROMACS分子动力学、PC-3与DU145细胞中BaP暴露及慢病毒介导CDC20沉默的功能实验。

研究结果部分，3.1 恶性腔面细胞群主导单细胞上皮图谱：研究人员整合GSE141445的36,025个细胞，注释出7大谱系，16,753个恶性细胞中几乎全部源于上皮，其中恶性腔面上皮细胞14,464个占86.5%，后续表型映射聚焦该群体。

3.2 复发相关Scissor状态呈现独特运动与增殖程序：研究人员把473例TCGA-PRAD复发注释整合进14,464个恶性腔面细胞，Scissor+与Scissor?系数反向分布；差异基因分析显示Scissor+程序富集细胞黏附、迁移、运动、血管生成、细胞群体增殖调控等GO条目（FDR<0.05），KEGG仅达名义显著故为探索性。

3.3 H&E衍生特征捕获复发相关分子程序：研究人员对304例配对样本提取ResNet-50深度特征与CellProfiler手工特征，经FDR校正后多种图像特征与Scissor+程序GSVA评分相关；StepCox前向+GBM模型训练集C-index 0.89、内部测试集0.82，多变量分析中病理组学风险评分仍与结局相关，但属内部验证而非独立外部WSI验证。

3.4 跨队列建模收敛到CDC20、ENSA与PTTG1：研究人员用101种算法组合，SuperPC与RSF+SuperPC在四个队列平均C-index均为0.732；两模型交集得12个候选基因，逐基因评估后CDC20、ENSA、PTTG1在TCGA-PRAD、DKFZ2018、GSE21032、GSE70768中均呈方向一致的不良复发相关关联。

3.5 反向毒理学优先出BaP并认定CDC20为对接分数最佳候选蛋白：CTD查询发现pirinixic acid、cisplatin、bisphenol A与BaP可同时升高人CDC20、ENSA、PTTG1 mRNA；区分药理干预与环境污染物的保留BaP与双酚A（bisphenol A）。BaP与CDC20、ENSA、PTTG1对接分为?8.37、?6.02、?6.91 kcal/mol，BaP—CDC20构象最优；100 ns分子动力学仅作探索性结构支撑，不等同实际结合证据。

3.6 CDC20沉默减弱BaP相关恶性生物学表型：研究人员在RWPE-1、PC-3、DU145中检测发现PC-3与DU145的CDC20更高，10 nM BaP 24 h进一步升高其表达；使用sh-CDC20后，Transwell迁移、集落形成、48 h伤口闭合率与EdU掺入增殖读数均显示BaP+sh-NC增强、BaP+sh-CDC20减弱，说明CDC20丢失削弱BaP相关恶性表型。

讨论部分总结，研究人员强调Scissor价值在于桥接批量临床表型与单细胞转录连续体，而非把结局分配给单细胞；H&E病理组学提供中间尺度证据，使图像信号联系到明确恶性上皮程序。CDC20作为APC/C共激活因子，既有细胞周期意义，也通过Axin1降解、β-catenin稳定、GSDME相关焦亡、c-MYC/PI3K–AKT等机制参与前列腺癌进程。BaP效应依赖剂量、时长与细胞背景，本研究10 nM低剂量短时对AR阴性PC-3与DU145的观察不能外推至所有浓度或AR阳性细胞。研究局限包括回顾性队列无个体BaP生物标志物、WSI仅内部测试、体外单浓度单时点与AR阴性模型；但多独立数据层一致指向CDC20。

结论部分翻译：在表型锚定整合单细胞转录组学、H&E病理组学、跨队列生存建模、反向毒理学的细胞干预分析后，不同层次证据收敛到前列腺癌中的CDC20。CDC20定位于复发相关恶性腔面转录程序，并参与形成跨队列一致的病理特征相关风险程序；其表达在10 nM BaP暴露后升高，且CDC20沉默减弱PC-3与DU145中多种BaP相关恶性生物学表型。综合现有证据，CDC20可视为连接前列腺癌复发生物学与BaP响应肿瘤细胞行为的候选分子节点，值得进一步机制验证。