Molecular cartography uncovers evolutionary and microenvironmental dynamics in sporadic colorectal tumors

生物 肿瘤进展 结直肠癌 癌症研究 免疫系统 肿瘤发生 基因 计算生物学 进化生物学 癌症 癌变 遗传学
作者
Cody N. Heiser,Alan J. Simmons,Frank Revetta,Eliot T. McKinley,Marisol Ramirez,Jiawei Wang,Justin Shao,Gregory D. Ayers,Yu Wang,Sarah E. Glass,Harsimran Kaur,Andrea Rolong,Bob Chen,Paige N. Vega,Julia L. Drewes,Nabil Saleh,Simon Vandekar,Angela Jones,M. Kay Washington,Joseph T. Roland,Cynthia L. Sears,Qi Liu,Martha J. Shrubsole,Robert J. Coffey,Ken S. Lau
标识
DOI:10.1101/2023.03.09.530832
摘要

Colorectal cancer exhibits dynamic cellular and genetic heterogeneity during progression from precursor lesions toward malignancy. Leveraging spatial molecular information to construct a phylogeographic map of tumor evolution can reveal individualized growth trajectories with diagnostic and therapeutic potential. Integrative analysis of spatial multi-omic data from 31 colorectal specimens revealed simultaneous microenvironmental and clonal alterations as a function of progression. Copy number variation served to re-stratify microsatellite stable and unstable tumors into chromosomally unstable (CIN+) and hypermutated (HM) classes. Phylogeographical maps classified tumors by their evolutionary dynamics, and clonal regions were placed along a global pseudotemporal progression trajectory. Cell-state discovery from a single-cell cohort revealed recurring epithelial gene signatures and infiltrating immune states in spatial transcriptomics. Charting these states along progression pseudotime, we observed a transition to immune exclusion in CIN+ tumors as characterized by a novel gene expression signature comprised of DDR1, TGFBI, PAK4, and DPEP1 . We demonstrated how these genes and their protein products are key regulators of extracellular matrix components, are associated with lower cytotoxic immune infiltration, and show prognostic value in external cohorts. Through high-dimensional data integration, this atlas provides insights into co-evolution of tumors and their microenvironments, serving as a resource for stratification and targeted treatment of CRC.
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