睾丸生殖细胞瘤（Testicular germ cell tumors, TGCTs）是14-44岁男性中最常见的恶性实体瘤之一, 约占到所有睾丸肿瘤的95%。TGCTs根据其不同来源可以分为精原细胞瘤（seminoma）和非精原细胞瘤，精原细胞瘤约占TGCTs的60%以上，是最常见的类型。目前已有研究认为，seminoma是由原始生殖细胞（PGC）向前精原细胞发育过程中出现异常而产生的。原始生殖细胞是人类生殖细胞的唯一起源，在雄性中胚胎发育至13周左右时，原始生殖细胞进入有丝分裂抑制阶段，分化为前精原细胞。一些多能性相关基因如OCT4, NANOG，TFAP2C等的表达被抑制，在此后的生殖细胞中不再表达。但在seminoma中，TFAP2C 等多能性基因作为seminoma的marker基因在成年睾丸中仍然高表达。然而TFAP2C等在seminoma 中的作用还不清楚，对seminoma的分子特性及其肿瘤微环境仍缺乏了解。
2023年12月20日，中国科学院动物研究所郭靖涛、中信湘雅孛昊和北医三院泌尿外科/生殖中心张哲等在Nature Communications杂志上发表了题为Single-cell multi-omics analysis of human testicular germ cell tumor reveals its molecular features and microenvironment的研究论文。该研究发现seminoma肿瘤细胞与PGC的相似性，揭示了转录因子TFAP2C直接调控肿瘤细胞迁移和侵袭，并系统探究了肿瘤微环境对seminoma的影响。
该研究首先对来自患者的精原细胞瘤样本进行了单细胞测序。为探究seminoma肿瘤细胞与正常生殖细胞之间的关系，作者们将肿瘤细胞与各个阶段生殖细胞进行了比较，包括PGCs，胚胎期生殖细胞（state f0）和不同阶段成年生殖细胞。发现在转录水平上， seminoma肿瘤细胞与PGCs具有更加相似的基因表达模式，且拥有共享的基因表达，其中包括在PGCs中编码具有重要作用的转录因子的基因TFAP2C, POU5F1, NANOG 和 SOX17。这些基因的表达模式在空间转录组数据中也得到了验证。
之后，作者们进一步探究这些异常表达的基因在seminoma肿瘤细胞中发挥的作用。利用单细胞染色质可及性测序技术，作者们发现TFAP2C的结合motif在seminoma肿瘤细胞中显著富集，这说明TFAP2C作为转录因子参与seminoma的发生发展。为了进一步验证，作者们在seminoma细胞系中敲降了TFAP2C的表达，发现敲降后大量基因出现下调，且肿瘤细胞的迁移和侵袭能力显著降低。结合Cleavage Under Targets and Tagmentation (CUT&Tag) 测序，作者们得到了TFAP2C直接调控的346个基因，这些基因主要富集在细胞迁移和细胞粘连等通路，结合体外功能试验，表明TFAP2C直接调控seminoma肿瘤细胞的迁移和侵袭，促进肿瘤进展。
通过对肿瘤免疫微环境的分析，作者们鉴定了15个免疫细胞亚型，发现seminoma的微环境处于免疫抑制的状态，且不同功能状态的免疫细胞的空间分布具有异质性。巨噬细胞主要富集在肿瘤的边缘部分，作者们发现seminoma中的巨噬细胞高表达MMP9，该基因是胞外基质降解的主要参与者。同时在肿瘤中对MMP9起激活作用的CTSK在巨噬细胞中也显著富集。因此作者们推测或许seminoma中的巨噬细胞可以通过分泌MMP9和CTSK来促进生精小管的破裂，从而帮助肿瘤细胞向外侵袭。最后，通过分析微环境中的细胞互作，作者们发现肿瘤细胞主要通过分泌MIF (macrophage migration inhibitory factor) 作用于周围环境，促进肿瘤进展。
综上所述，这项研究利用多组学测序技术，首次对seminoma进行了系统地分析，揭示了seminoma肿瘤细胞的分子特性和肿瘤微环境，为seminoma的来源和探究靶向治疗提供了更加充足的数据支持，也为生殖细胞的发育提供了更多的视角。
中国科学院动物研究所研究员郭靖涛博士、中信湘雅生殖与遗传专科医院孛昊博士、北京大学第三医院泌尿外科/生殖医学中心主治医师张哲博士为共同通讯作者；中国科学院动物研究所博士研究生卢晓健、中南大学湘雅三医院罗雁威博士、美国犹他大学聂熙琛博士为共同第一作者。此外，该工作还得到了中信湘雅生殖与遗传专科医院范立青教授的指导与支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44305-9
图1. 多组学技术联合揭示seminoma分子特性和免疫微环境
（a）模式图（b）PCA显示seminoma肿瘤细胞与PGC更相似（c）TFAP2C结合motif显著富集在seminoma肿瘤细胞中
