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食管鳞状细胞癌(食管鳞癌)在中国是一种常见的消化道恶性肿瘤,正常的食管上皮细胞在外源刺激下经过多阶段的癌前病变过程最终进展为具有侵袭转移能力的恶性肿瘤细胞。已有研究证实早期的癌前病变阶段具有能够转归为正常细胞的能力,提示对癌前病变部位的早发现及早治疗能够有效提高食管鳞癌患者的预后。食管鳞癌致病因素复杂,除吸烟、饮酒等环境因素之外,遗传因素及其与环境之间的相互作用同样能够影响食管鳞癌的发生和发展。目前通过对食管鳞癌进行全基因组关联研究(genome-wide association study,GWAS),发现多个单核苷酸多态位点(single nucleotide polymorphism,SNP)能够显著影响食管鳞癌的易感性。基于本实验室之前的关于中国人群的食管鳞癌GWAS研究发现,位于4q23的乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)基因家族上的遗传变异与食管鳞癌的易感性相关,同时显示出与饮酒具有显著的交互作用。本研究的第一部分通过分层分析、基因环境交互作用分析以及利用表达数量性状基因座(expression quantitative trait locus,eQTL)分析方法找到通过影响ADH基因家族表达水平进而改变食管鳞癌易感性的SNP位点。随后通过双荧光素酶报告基因及电泳迁移率变动实验研究遗传变异的生物学功能。本研究的第二部分利用化学致癌剂诱导并建立了食管鳞癌的小鼠模型,并在正常、炎症、轻度不典型增生、中重度不典型增生、原位癌以及浸润癌阶段对小鼠食管组织进行取样。同时,采用10x Genomics平台对不同疾病进展时期的小鼠食管组织进行单细胞转录组测序以描绘食管鳞癌发生过程中的动态分子变化。通过进行eQTL分析,共找到8个能够影响ADH基因表达水平的SNP位点。双荧光素酶报告基因实验结果显示rs1154402-C促进下游启动子的活性显著高于rs1154402-G基因型,并且无论其序列是正向还是反向都能够显著增强下游ADH1A基因启动子的活性。通过ADH5(rs1 154402)及ALDH2(rs1 1066015)的联合分析我们发现,当两者均为风险基因型时饮酒者患食管鳞癌的风险是非饮酒者的4倍之多。通过差异表达基因分析以及通路富集分析发现ADH1A高表达样本中免疫激活相关通路显著上调,并且通过实验证实在ADH1A高表达样本中细胞毒性T细胞比例显著增高。另一方面,通过对食管鳞癌的小鼠模型进行单细胞测序,共捕获29,975个免疫细胞及36,114个非免疫细胞。对非免疫细胞中的1,756个上皮细胞进行细胞亚群的鉴定,共发现六个上皮细胞亚群。通过通路富集分析推测出每个亚群行使的生物学功能并通过拟时间分析发现食管上皮细胞能够经历两种截然不同的进化轨迹,一条以终端分化结束,另一条则以进展为恶性肿瘤细胞结束。过度的酒精摄入是食管鳞癌的致病因素之一。ADH基因家族对生物机体内乙醇的代谢具有重要的调控作用。该研究通过深入挖掘GWAS数据,找到位于ADH5内含子区段上的rs1154402能够扮演增强子的角色,rs1154402-G能够通过远距离调控作用抑制ADH1A的表达,提示rs1 154402位点可能通过远距离调控作用影响了乙醇脱氢酶ADH1A的表达水平,进而改变了人体内乙醇的代谢过程,进一步造成不同基因型的个体对食管鳞癌的易感性的差异。同时,本研究通过单细胞转录组测序描绘了食管鳞癌发生过程中分子的动态改变图谱,揭示了上皮细胞中存在的不同细胞亚群及其生物学功能并发现不同疾病进展时期组织中的上皮细胞组成是不同的。我们发现上皮细胞在持续的致癌物刺激下表现出两种不同的进化轨迹,由此系统性地描绘了肿瘤发生过程中细胞状态的变化过程。