掃碼聯(lián)系客服
同學(xué)們大家早上好，今天分享的文章是近期發(fā)表在《Molecular Therapy-nucleic Acids》（IF：10.18）雜志上，本篇文章總結(jié)15種癌癥的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，從軌跡分析和TF的角度，全面解析T細(xì)胞的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，邏輯清晰，讓我們一起來學(xué)習(xí)吧??！
Identification of shared characteristics in tumor-infiltrating T cells across 15 cancers
摘要
腫瘤浸潤(rùn)T細(xì)胞在腫瘤免疫治療中起著至關(guān)重要的作用。在T細(xì)胞異質(zhì)性的研究方面取得了很大的進(jìn)展。然而，關(guān)于腫瘤浸潤(rùn)T細(xì)胞在癌癥中的共同特征知之甚少。在這項(xiàng)研究中，對(duì)15種癌癥中的349799個(gè)T細(xì)胞進(jìn)行了泛癌分析。結(jié)果表明，相同的T細(xì)胞類型在不同的癌癥中有相似的表達(dá)模式，由特定的轉(zhuǎn)錄因子(TF)調(diào)控。多種T細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)變路徑在癌癥中是一致的。與CD8+ T細(xì)胞轉(zhuǎn)化為終末分化效應(yīng)記憶(Temra)或衰竭(Tex)狀態(tài)相關(guān)的TF調(diào)節(jié)與患者的臨床分類有關(guān)?？偟膩碚f，本研究揭示了不同癌癥中腫瘤浸潤(rùn)T細(xì)胞的共同特征，并提出了未來合理的靶向免疫療法的途徑。
1.15種癌癥中T細(xì)胞亞型
作者收集了15種癌癥的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，質(zhì)量控制后，共獲得來自101例患者的腫瘤、相鄰正常組織和外周血349799個(gè)T細(xì)胞，其中35.5%-87.5%的細(xì)胞有TCR數(shù)據(jù)(圖1A)。為了進(jìn)一步了解腫瘤浸潤(rùn)性T細(xì)胞的特征，分別對(duì)CD4+和CD8+ T細(xì)胞進(jìn)行無監(jiān)督聚類分，共鑒定出19個(gè)CD4+和17個(gè)CD8+ T細(xì)胞群(圖1B)。這些細(xì)胞簇在不同組織中分布不同(圖1C)。PBMC以Naive Clusters為主，Trm主要分布在正常組織中。CD4_CX3CR1+ Temra主要分布在鄰近正常組織和PBMC中，CD8_CX3CR1+ Temra主要分布在PBMC中。CD8_CXCL13+ Tex和Treg富集。此外，還在CD4+和CD8+ T細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了增殖基因高表達(dá)的細(xì)胞群。細(xì)胞周期評(píng)分顯示，這些簇處于G2M或S期，還高表達(dá)耗盡或Treg相關(guān)標(biāo)記基因 (圖1D)。
2. 15種癌癥中共享T細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑
利用擬時(shí)序分析CD4+T細(xì)胞的分化軌跡，發(fā)現(xiàn)CD4_CCL5+ Tm和CD4_CXCR6+ Th17是幼稚細(xì)胞分化為其他細(xì)胞的中心 (圖2A)。CD4_CCL5+ Tm和CD4_CXCR6+ Th17與下游細(xì)胞群具有顯著的標(biāo)記基因共享(圖2B)。軌跡分析顯示，CD4_ISG+ Treg、CD4_NMB+ Treg和CD4_HSPA1A+ Treg在不同的癌癥中以過渡狀態(tài)出現(xiàn)，然后發(fā)展為CD4_TNFRSE9+ Treg(圖2A)。在CD8+ T細(xì)胞中，觀察到多個(gè)耗盡路徑，其中在CRC、ESCA、MM、OV、PACA、THCA和UCEC中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從CD8_Tn到CD8_IL7R+ Tm再到CD8_ZNF683+ Trm到Tex的路徑(圖2A)。在所有癌癥中觀察到，無論對(duì)每個(gè)癌癥進(jìn)行集體或單獨(dú)的軌跡推斷，從CD8_TXNIP+ T到Temra或Tex，其中CD8_KLRG1+ T和CD8_GZMK+ T位于兩者之間(圖2A)。此外，發(fā)現(xiàn)CD8_TXNIP+ T與CD8_ZNF683+ Trm的標(biāo)記基因有顯著的同源性，包括ZNF683、CXCR6、ITGAE和KLRC1(圖2C)。STARTRAC-migr分析顯示，PBMC和腫瘤之間CD8_TXNIP+ T細(xì)胞具有高度的TCR共享 (圖2D)。CD8_TXNIP+ T細(xì)胞與Trm和CD8_RPL36A+ T細(xì)胞高度相關(guān)(圖2E)。富集分析顯示CD8_TXNIP+ T細(xì)胞參與免疫細(xì)胞活化和增殖，包括T細(xì)胞活化、淋巴細(xì)胞分化和T細(xì)胞增殖調(diào)控(圖2F)。
3.癌癥中臨床狀態(tài)相關(guān)的TF調(diào)節(jié)
TF一直被認(rèn)為在維持細(xì)胞特性方面起著核心作用，作者利用SCENIC分析scRNA-seq中基因調(diào)控情況，解析每種癌癥中細(xì)胞狀態(tài)改變。對(duì)于腫瘤浸潤(rùn)的T細(xì)胞，不同癌型調(diào)控調(diào)控存在特異性，表明T細(xì)胞在特定的環(huán)境中經(jīng)歷了特定的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。作者篩選出了每一種細(xì)胞類型中至少存在于5種癌癥中的調(diào)節(jié)因子，并分別在CD4+和CD8+ T細(xì)胞群中獲得了67和58個(gè)調(diào)節(jié)因子。這些調(diào)控在CD4+和CD8+ T細(xì)胞之間顯著共享(圖3A)。這些規(guī)律與相應(yīng)細(xì)胞類型的功能有關(guān)。TBX21在CD4+和CD8+ T細(xì)胞中均被鑒定為Temra特異性調(diào)控因子(圖3B)。同時(shí)，作者還計(jì)算了特定調(diào)控因子的調(diào)節(jié)活性評(píng)分(RAS)與每個(gè)簇中TCR克隆性之間的相關(guān)性(圖3B)。在不同的癌癥中，這些調(diào)控因子的活性與TCR的克隆性相關(guān)。例如，在5種癌癥中，TBX21與TCR克隆性呈正相關(guān)。
基于上述分析，作者分析了CD8_TXNIP+ T、Temra和Tex在腫瘤組織中的差異調(diào)控。最后，與CD8_TXNIP+ T相比，在5個(gè)或更多的癌癥中，發(fā)現(xiàn)了14個(gè)在Temra中上調(diào)而在Tex (Temra-activated TFs)中下調(diào)或在Temra中下調(diào)而在Tex (Tex-activated TFs)中上調(diào)的調(diào)控蛋白，作者稱之為狀態(tài)轉(zhuǎn)換TFs(圖3C)。狀態(tài)轉(zhuǎn)化TFs在腫瘤組織和其他組織中的表達(dá)差異顯著(圖3D)。作者利用TCGA腫瘤數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究了狀態(tài)轉(zhuǎn)換TFs的表達(dá)與患者生存的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們顯著影響了不同癌癥患者的總生存期。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換TFs在TCGA中的表達(dá)進(jìn)行了癌癥分型。劃分的亞型和生存顯著相關(guān)，發(fā)現(xiàn)在KIRC中C2亞型，Temra-activated TFs表達(dá)水平高，預(yù)后較好(圖3E和3F)。兩組間性別、年齡差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但C2組大部分標(biāo)本病理分期為低分期(圖3G)。
作者利用從TIGER數(shù)據(jù)庫(kù)下載的癌癥免疫治療數(shù)據(jù)，探討免疫檢查點(diǎn)阻斷治療后這些TF的變化。結(jié)果顯示，IRF4除外，治療后黑素瘤狀態(tài)轉(zhuǎn)化TFs的表達(dá)顯著上調(diào)（圖3H）。此外，在另一個(gè)黑素瘤免疫治療數(shù)據(jù)集中，除ETV1和EZH2在無應(yīng)答者中高表達(dá)外，狀態(tài)轉(zhuǎn)移TFs在有應(yīng)答者中高表達(dá)(圖3I)?？傊?，發(fā)現(xiàn)的T細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)移TF調(diào)節(jié)有助于腫瘤的分類，并可作為獨(dú)立的預(yù)后因素和免疫治療靶點(diǎn)。
4. 癌癥中普遍激活的T細(xì)胞相互作用途徑
細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用涉及多種信號(hào)通路，將從每個(gè)癌癥的不同組織推斷出的信號(hào)通路映射到一個(gè)二維的流形上，并聚集成不同的組。BCL、OV、PACA有腫瘤特異性組，PACA、OV有正常特異性組。在其他癌癥中也觀察到以不同組織為主的群體。通過計(jì)算不同組織中任意一對(duì)共享信號(hào)通路之間的歐氏距離，發(fā)現(xiàn)CCL、CXCL和FASLG通路的距離較大，而IFN-II通路的距離較小(圖4A)。此外，根據(jù)各信號(hào)通路的信息流，發(fā)現(xiàn)腫瘤中某些通路的變化是不同的，包括TNF、PARs、CLEC、ITGB2和IL-16。配體受體(LR)對(duì)這些通路的貢獻(xiàn)在所有癌癥中都是一致的(圖4B)，這些LR基因在腫瘤浸潤(rùn)T細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)。發(fā)現(xiàn)GALECTIN是除OV外所有癌癥中CD8_TXNIP+ T細(xì)胞的進(jìn)入信號(hào)通路(圖4C)。GALECTIN的外出細(xì)胞主要來自STMN1+和ISG+ T細(xì)胞簇(圖4D)。GALECTIN通路的貢獻(xiàn)LR對(duì)為L(zhǎng)GALS9-HAVCR2/CD45/CD44(圖4B)。LGALS9在ISG+和STMN+ T細(xì)胞中特異性表達(dá)，尤其是在ISG+ T細(xì)胞中(圖4E)。對(duì)GALECTIN、ISG+ T細(xì)胞簇特異性調(diào)控蛋白LR對(duì)的蛋白-蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò)分析，以及先前發(fā)現(xiàn)的CD8_TXNIP+ T、CD8_Temra和CD8_Tex之間的差異調(diào)控蛋白，發(fā)現(xiàn)它們相互作用(圖4F)。
發(fā)現(xiàn)LT通路的輸出信號(hào)僅在Treg中存在(圖5A)。其配體LTA是Treg特異性調(diào)控REL和NFKB2的靶基因，其配對(duì)受體的下游TFs為TNF信號(hào)通路相關(guān)基因(圖5B)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中TNF信號(hào)通路相關(guān)基因同時(shí)上調(diào)(圖5C)。TNF信號(hào)通路的活性在每種T細(xì)胞類型中是不同的(圖5D)。這些結(jié)果表明，Treg通過LTA-TNFRSF1B激活受體細(xì)胞中的TNF信號(hào)通路，進(jìn)而影響其他細(xì)胞的命運(yùn)(圖5E)。
5. 泛癌中T細(xì)胞的TCR圖譜
TCR是介導(dǎo)T細(xì)胞免疫的關(guān)鍵因子，分析TCR有助于了解T細(xì)胞免疫。作者分析了CD4+和CD8+ T細(xì)胞的基線庫(kù)。腫瘤組織中T細(xì)胞的TCR多樣性和克隆性明顯高于正常組織和PBMC(圖6A)。GLPH2 TCR聚類得到CD4+和CD8+ T細(xì)胞26922和14565組，其中22.1%和47.6%具有腫瘤類型特異性。具有相同V、J和CDR3序列的T細(xì)胞被定義為相同的克隆型，相比較于CD4+T，CD8 + T細(xì)胞的TCRs克隆百分率顯著升高（圖6B）。CD8+ T細(xì)胞中TCR的克隆率為BCL的7.6% ~ RC的20.1%，CD4+ T細(xì)胞中TCR的克隆率為NPC的0.5% ~ RC的7.1%。單個(gè)克隆型的克隆大小與腫瘤中克隆TCR的總數(shù)量成正比(圖6C)。
通過分析T細(xì)胞群的TCR特征，發(fā)現(xiàn)幼稚型T細(xì)胞的克隆擴(kuò)增很少，高度擴(kuò)增的TCR主要分布在Temra和Tex細(xì)胞中(圖6D)。還比較了CD8_CX3CR1+ Temra和CD8_CXCL13+ Tex在腫瘤中的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)CD8_CX3CR1+ Temra在BRCA、MM、THCA和RC中高度擴(kuò)展，而CD8_CXCL13+ Tex在UCEC、PACA、ESCA和ESCC中高度擴(kuò)展(圖6E)。由于軌跡分析顯示CD8_TXNIP+ T細(xì)胞向Temra或Tex轉(zhuǎn)移，作者研究了這些簇間TCR特征的變化，TCR的克隆性沿著發(fā)育軌跡逐漸增加(圖6F)。發(fā)現(xiàn)兩種發(fā)育路徑中CDR3區(qū)域的氨基酸類型存在差異(圖6G)。例如，在Tex路徑上，CDR3b中極性氨基酸的比例顯著增加，而在Temra路徑上，非極性氨基酸的比例顯著增加。
小結(jié)
本研究對(duì)來自15個(gè)癌癥數(shù)據(jù)集的T細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)分析，在不同的組織中鑒定了不同功能狀態(tài)下的T細(xì)胞類型。特別是在在CD4+ T細(xì)胞中觀察到多個(gè)Treg亞群，CD4_TNFRSF9+ Treg代表激活狀態(tài)。Treg可抑制針對(duì)自身抗原的異常免疫反應(yīng)，也可抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)軌跡分析揭示了這些Treg簇在癌癥中向激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。CD4_TNFRSF9 Treg和CD4_ISG+ Treg在泛癌中發(fā)生了向激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。本文整合了多種癌癥數(shù)據(jù)集，對(duì)癌癥中T細(xì)胞進(jìn)行更細(xì)致的刻畫，在分析思路上值得我們學(xué)習(xí)，也在癌癥的治療上提供了性的方向。
