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SXR202305014C+遺傳免疫逃逸研究，看完這篇搞定~
免疫逃逸機制導致腫瘤細胞不被殺死，大大降低免疫治療療效。全面了解免疫逃逸分子機制有助于篩選可獲益患者，制定針對特定逃逸方式的靶向治療。今天給大家分享一篇發表在Nature Genetics（IF：38.585）雜志上的文章，主要研究遺傳免疫逃逸相關6條重要通路上的基因在癌癥轉移前后的改變狀態對比，全面深入闡述泛癌種的遺傳免疫逃逸景觀和分子機制，讓我們正式開始吧~
研究背景
癌癥免疫逃逸使得腫瘤細胞逃脫免疫系統殺傷作用，是腫瘤特異性突變的累積效應，通過免疫逃逸相關腫瘤特異性基因組改變（GIE）被MHC-I呈遞到細胞表面的新抗原表位體現。多種生物機制導致免疫逃逸，包括新抗原表位呈遞減少或完全缺失，抑制來自周圍免疫細胞的促凋亡信號。抗原呈遞一般重點關注HLA-I基因，由于其在人群中的巨大多態性（>15,000種），以及腫瘤中也會檢出HLA-I 基因突變，極大增加HLA status檢測難度。HLALOH、B2M突變、HLA唯一性位點數量減少等都是已知的GIE事件，在原發腫瘤中被廣泛研究，而晚期轉移性腫瘤中GIE相比原發腫瘤發生率的一致性或動態改變，由于缺乏廣泛研究，兩者的差異尚不清楚。
研究結論
來自荷蘭烏得勒支大學醫學中心的研究人員，對收集自Hartwig（n=4,439）和PCAWG（n=1,839）的6319例泛癌腫瘤樣本進行6條免疫逃逸途徑中GIE發生率的泛癌表征。6條途徑指的是HLA-I基因座、抗原呈遞機制、干擾素IFN-γ信號通路、PD-L1免疫檢查點、CD58受體的共刺激信號和SETDB1驅動的表觀遺傳免疫逃逸（圖1a）。研究發現，1/4的患者中出現GIE事件，不同癌癥類型中GIE相關生物機制和頻率具有很大差異。原發性和轉移性腫瘤的GIE發生率一般是一致的，說明GIE是腫瘤早期事件。腫瘤進化過程中GIE改變被選擇，其中HLA-I focal LOH代表最大的新抗原表位庫。在高TMB腫瘤中，HLA-I focal LOH代表免疫逃避機制趨勢，而在超突變腫瘤中，其他免疫逃避機制占主導地位。同時本文研究人員開發了LILAC，一個綜合檢測HLA status的開源集成框架，實現HLA分型的同時可以檢測HLA-I基因非同義突變、純合缺失變異、LOH等。
研究成果
LILAC推測腫瘤中HLA-I狀態
腫瘤樣本HLA-I status推斷是識別GIE改變的基礎，利用LILAC工具對6279名患者的正常和腫瘤樣本分別進行HLA-I基因分型（圖1b），相比Polysolver和xHLA，LILAC具有最高的一致性（圖1f）。所有分型工具在Hartwig數據集上都具有較高的一致性（圖1c），可能是由于該數據集較高的測序深度和數據質量。基于三人組家系的HLA-I分型結果顯示，LILAC與先前報道的分型結果完全一致（圖1d）。LILAC對TRACERx100肺癌隊列WES數據HLA-I分型結果具有98.16%的一致性。對95個之前有研究表明較難準確分型的樣本，LILAC分型結果顯示出100%的一致性，高于Polysolver（93.09%），xHLA（98.94%）。LILAC在7個腫瘤活檢樣本中檢出9個HLA-I體細胞突變。
LILAC根據比對到每個allele的片段數和基于純度矯正計算拷貝數方法，得到minor或major等位基因特異性倍性水平，以此來檢測HLA-I LOH。對TRACERx100肺癌隊列WES數據分析結果顯示，LOHHLA和LILAC具有90%的一致性，其中高腫瘤純度樣本（>=0.3，96.08%）相比低腫瘤純度樣本（<0.3，75.51%）具有更好的一致性（圖1g）。LILAC檢出HLA-I LOH的3個腫瘤樣本，采用正交實驗方法驗證后顯示強烈的等位基因不平衡性。
圖1.基于LIAC推斷腫瘤中HLA-I狀態
不同癌種中GIE發生率和 途徑對比
研究隊列中包括1880例PCAWG原發患者和4,439例Hartwig轉移患者（圖2a），這些患者總共分為58種癌癥類型，其中包括轉移隊列中具有足夠高代表性(患者數量≥15)的30種腫瘤類型（圖2b），原發隊列中27種高代表性癌類型，原發和轉移隊列中都具有高表達性的20種腫瘤類型。分析結果顯示，四分之一的患者(26%的轉移性患者和24%的原發性患者)在六種研究途徑中出現了GIE改變（圖2c-d）。轉移性隊列中，每種癌癥類型中存在GIE改變的患者比例中位數為0.27，原發腫瘤中為0.20，兩者均顯示出高度分散的分布（±0.15 sd和±0.19 sd）。在某些癌癥類型中，如胰腺神經內分泌(PANET，轉移性)、彌漫性大b細胞淋巴瘤(DLBCL，轉移性)和腎嗜色癌(KICH，原發性)，>50%的患者樣本中存在GIE(分別為65%、55%和74%)，而在其他癌癥類型中，如肺神經內分泌(LUNET，轉移性)，GIE是極其罕見的事件(圖2e-f)。
圖2.不同癌癥類型中GIE概覽
最常見的GIE改變是HLA-I LOH(包括HLA-I基因雜合性缺失和純合缺失)，在783例(18%)的轉移性癌癥患者和319例(17%)的原發性癌癥患者中檢出，其次是IFN-γ失活(4%的轉移性癌癥患者和3%的原發性癌癥患者)和抗原呈遞途徑的改變(4%的轉移性癌癥和3%的原發性癌癥)。CD58失活是最不常見的免疫逃逸事件，僅在16例轉移性患者和8例原發患者中出現。KICH和PANET腫瘤高GIE發生率完全是由于HLA-I LOH，而其他類型的癌癥表現出更廣泛的GIE機制。本研究中沒有觀察到在具有多種GIE機制的癌癥類型中，HLA-I LOH和其他GIE事件之間存在顯著的互斥性，表明某些腫瘤可能需要互補的GIE改變，例如破壞HLA-I介導的新表位呈遞和CD58丟失的同時改變，以有效地逃避免疫監視。
原發和轉移腫瘤樣本中GIE發生率對比
在原發和轉移隊列中具有充分代表性的20種癌癥類型數據GIE結果比對顯示，兩者之間存在廣泛的一致性（圖3a）。其中9種腫瘤有一定程度的轉移腫瘤樣本GIE富集(log2(OR) > 0.5)，但只有前列腺癌(PRAD)和甲狀腺癌(THCA)的差異具有顯著性（圖3b），可能與癌癥轉移過程中大量的基因組轉化有關，THCA轉移富集是HLA-I LOH發生率增加的結果，而PRAD的差異是多種免疫逃逸途徑廣泛富集的結果。
圖3.原發和轉移腫瘤樣本的GIE發生情況
HLA-I基因突變的正向選擇
對泛癌隊列數據進行HLA-I（HLA-A、HLA-B、HLA-C）基因變異檢測，其中無義突變、可變剪切變異、截斷變異的dN:dS>1，說明這些變異在腫瘤發生發展過程中被正向選擇，導致突變率高于背景突變率(圖4a)。對泛癌數據特定HLA-I基因進行變異檢測發現，只有HLA-A和HLA-B的dN:dS>1，且變異集中在截斷變異而不是錯義突變(圖4b-c)。對特定癌癥特定HLA-I基因突變分析發現，HLA-A和HLA-B被認為是幾種癌癥的驅動因素，包括轉移性結直腸癌、NSCLC、DLBCL等(圖4e)。
HLA-I基因小片段體細胞變異（InDel）沿其序列均勻分布，除了移碼變異HLA-A Lys210（chr6:29911899）在6個 dMMR轉移癌癥中被檢出(圖4f)。這種均勻分布與先前的觀察結果一致，也符合以失活變異為主的抑癌基因的預期分布。
在HLA-I基因雜合子個體中，如果發生HLA LOH，會影響新抗原表位的呈遞。本文對全基因組LOH事件按分辨率進行劃分，nonfocal LOH：LOH影響染色體長度>染色體臂長度的75%；focal LOH：<75%；highly focal LOH：<3Mb，以以上分辨率對應LOH發生率為背景突變率，找出HLA-I LOH發生率顯著高于背景突變率的癌癥類型(圖4g)。盡管與背景全基因組LOH率存在整體相關性，但在幾種轉移和原發癌癥數據集中，HLA-I LOH發生率高于預期(G-檢驗，擬合優度Q值<0.1)。其中Panet和KICH富集nonfocal HLA-I LOH，轉移性宮頸癌、轉移性結直腸癌或原發DLBCL，富集focal HLA-I LOH或highly focal HLA-I LOH（圖4h-i）。另外在33例發生HLA-I基因非同義突變患者（占159例HLA-I基因突變患者總數的20%)）中，同時發生LOH丟失可選的等位基因，可能導致整個HLA-I基因失活。
分析結果中沒有發現任何雙等位基因缺失變異，HLA-I基因純合子缺失變異可能受到純化選擇的限制，表達最少量的HLA-I分子以逃避免疫系統報警。
圖4.HLA-I的陽性選擇
focal 與nonfocal HLA-I LOH發生的特定區域
在特定類型癌癥中，HLA-I LOH被正向選擇，計算其單個位點兩個等位基因型預測新抗原表位數量之比發現(圖5a)，等位基因新表位比率和具有最多新表位位點發生LOH頻率在轉移和原發腫瘤中呈正相關（圖5b-c）。局限在HLA-I focal LOH事件時，新表位比率和丟失頻率之間的關聯變得更強(圖5d-e)，但HLA-I nonfocal LOH不選擇具有最高新表位庫的等位基因（圖5f-g），它在幾種癌癥類型中的高復發率可能與6號染色體上的其他選擇力量有關。
圖5.HLA-I LOH和新抗原表位負荷
大多數HLA-I LOH的拷貝數是中性的(轉移性腫瘤和原發性腫瘤分別為81%和70%)，比nonfocal HLA-I LOH(轉移性腫瘤和原發性腫瘤分別為65%和35%)要高得多，說明HLA-I LOH主要驅動力是丟失等位基因而不是基因劑量減少。
GIE突變（除了HLA-I）的正向選擇
對除了HLA-I基因座以外的涉及5條免疫逃逸途徑上的18個基因進行變異檢測，除了兩個基因的驅動機制是拷貝數增加，16個基因的無義突變、可變剪切變異和截斷變異對應的dN:dS>1(圖6a)，說明在腫瘤發生過程中被正向選擇。對特定基因和癌癥類型的細化分析表明，來自抗原呈遞途徑的兩個基因(B2M和CALR)在幾種腫瘤類型以及泛癌隊列中顯示出失活突變和局部雙等位基因缺失的反復模式（圖6b-d）。此外，包括JAK1、JAK2和IRF2在內的IFN-γ途徑基因的局部雙等位基因缺失頻率也高于預期。CD58在DLBCL和泛癌原發隊列中的非同義突變和純合缺失的數量也高于預期。染色質修飾物SETDB1在多種癌癥類型中反復局部擴增，包括轉移性非小細胞肺癌和原發乳腺癌（圖6e）。
圖6.除了HLA-I以外的GIE事件陽性選擇
其它與免疫逃逸相關的基因組特征
對38種癌癥類型中99個腫瘤基因組特征和366個驅動基因進行了癌癥類型特異性單變量Logistic回歸，研究其他癌癥基因組和環境特征，如免疫浸潤特征、突變生物學過程特征、新抗原負荷、突變負荷等與GIE事件發生（排除nonfocal HLA-I LOH）的相關性(圖7a)。為了控制可能繼發于突變和CNV背景率增加導致的關聯，過濾掉在GIE模擬中發現的重要關聯。結果發現，35個基因組特征和5個驅動基因在至少一種癌癥類型中顯示出與GIE的統計學顯著關聯(圖7a)。
即使在控制背景突變率后，TMB和新抗原表位負荷與DLBCL、胰腺癌和皮膚黑色素瘤的GIE事件密切相關。主克隆TMB和新抗原表位負荷顯示出與GIE強烈的正相關，而亞克隆TMB和新抗原表位負荷顯示出適度的相關性。在DLBCL和NSCLC中，融合衍生的新表位與GIE顯著相關(圖7b)。
暴露于某些內源性和外源性突變過程與免疫原性增強和對ICIs的反應相關，其中MMRd突變過程與GIE發生率增加廣泛相關。暴露于胞苷脫氨酶APOBEC家族與多種癌癥類型（包括乳腺癌）GIE密切相關（圖7d）。與幾種外源性突變過程相關的突變負荷，如皮膚黑色素瘤中的紫外線和NSCLC中的鉑類化療，也與這些癌癥類型中GIE事件發生率的增加顯著相關(圖7e)。
一些腫瘤基因組特征也發現跟GIE發生率增加有關，在結直腸癌(也包括一些肛門癌患者)中，HPV DNA整合與GIE發生率呈正相關，在特定癌種類型中，通過RNAseq反卷積得到的高免疫浸潤特征與較高的GIE發生率顯著相關(圖7f-g)。
圖7.GIE相關癌癥基因組特征
除了本研究中考慮的GIE途徑之外，某些驅動因素的改變也顯示出與GIE事件的強烈關聯。在結直腸癌患者中，CASP8、KMT2D、RPL22和TGFBR2的改變往往與GIE同時發生。之前有文獻報道，CASP8和TGFBR2的改變與免疫監視逃逸有關。
其它一些特征，如HLA-I超型、HLA-I種系分化、患者實際年齡或接受過包括免疫治療在內的以前的治療，都沒有達到與GIE顯著的關聯。
TMB與免疫逃逸機制
突變負荷的增加導致新表位的產生易被適應性免疫系統識別為新抗原，在20個均勻分布的TMB區段中分析GIE改變頻率(不包括HLA-I nonfocal LOH)與TMB之間的關系。研究發現，隨著TMB的增加，GIE發生率穩定增加，觀測到的GIE頻率偏離了GIE模擬給出的預期頻率，這在超突變的腫瘤中尤其明顯，其GIE發生率比模擬高2-3倍（圖8a）。考慮癌癥類型和突變克隆性后，這一趨勢仍然是一致的。基于HLA分型預測的新抗原表位負荷與GIE發生率一致均勻增加。
TMB：10-13，ICI反應預測閾值下限，平均GIE發生率為0.3±0.03?s.d；TMB：26-36，對應高突變腫瘤類型，平均GIE發生率為0.42±0.06s.d.； TMB：~95，超高突變腫瘤類型，GIE發生率>70%（圖8a）。
進一步研究TMB跟6條免疫逃逸途徑上的GIE事件相關性，HLA-I基因座相關變異發生率隨著TMB增加而增加(圖8c)。HLA-I nonfocal LOH主要存在于低TMB腫瘤中，HLA-I focal LOH在中高TMB腫瘤中明顯富集，峰值約為每Mb ~ 10-20個突變(平均頻率為0.22±0.04 s.d)，呈倒U型分布。HLA-I基因突變在高突變腫瘤中更為頻繁(即從每Mb約26個突變到每Mb 36個突變)（圖8d）。抗原呈遞機制和IFN-γ通路的改變主要見于高突變腫瘤。其余的通路沒有顯示出任何明確的TMB偏好，可能是由于這些改變在本文研究數據集中的患病率較低。
圖8.TMB和免疫逃逸機制
總結
本文描述了來自58種癌癥類型的數千例統一處理的原發性和轉移性腫瘤中涉及6個主要途徑的GIE改變的患病率和影響。研究結果顯示，平均而言，四分之一的患者發生GIE事件，主要是由于HLA-I LOH。GIE的發生率和靶向途徑在不同的癌癥類型中表現出高度的多樣性。沒有觀察到針對不同途徑的GIE改變之間的相互排他性，這表明多種GIE改變可能同時發生，有效地避免了免疫監視。在大多數癌癥類型中，轉移性患者的GIE改變發生率與原發性患者相當，表明GIE是腫瘤進化過程中的早期事件。在腫瘤進化過程中，免疫逃逸改變往往是被正向選擇的。在多種癌癥類型中，HLA-I LOH發生率高于預期。值得一提的是，隨著TMB的增加，GIE發生率也穩定增加，這并不完全歸因于背景突變率的潛在增加，這表明對免疫治療反應最好的腫瘤也有最強的免疫逃逸能力。
