TCGA數(shù)據(jù)庫和單細胞測序數(shù)據(jù)庫揭示膠質(zhì)瘤免疫浸潤 和免疫基因?qū)颊呱娴挠绊?/h1>
欄目：最新研究動態(tài)
發(fā)布時間：2021-03-05
膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤，約占所有原發(fā)性惡性腦腫瘤的80%，且預(yù)后不佳，生活質(zhì)量差，中位生存期< 1年。
膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤，約占所有原發(fā)性惡性腦腫瘤的80%，且預(yù)后不佳，生活質(zhì)量差，中位生存期< 1年。GBM的標準治療是手術(shù)切除，伴隨放療和替莫唑胺化療。雖然由于基因治療、免疫治療、疫苗治療等的發(fā)展，多種治療方法有所改善，管理GBM復(fù)發(fā)的治療選擇依然有限。大多數(shù)基于免疫檢查抑制點的GBM臨床研究和疫苗療法的試驗都沒有成功。通過免疫治療GBM臨床試驗失敗的原因歸因于幾個因素，包括高度免疫抑制環(huán)境和多種治療耐藥機制。GBM誘導(dǎo)局部免疫功能障礙和全身免疫抑制，從而引起GBM與周圍腫瘤微環(huán)境之間更復(fù)雜的偶聯(lián)關(guān)系。腫瘤微環(huán)境是局部免疫功能紊亂的至關(guān)重要的因素之一，它為癌細胞、多種基質(zhì)細胞和細胞外成分建立了小生境。腫瘤微環(huán)境在特定條件的建立中起著關(guān)鍵性作用，從而干擾血管生成、細胞死亡、氧化應(yīng)激和免疫逃逸。越來越多的研究揭示，腫瘤微環(huán)境不僅在腫瘤的發(fā)生、進展和遷移中至關(guān)重要，而且還影響治療耐藥性和惡性腫瘤的產(chǎn)生。腫瘤微環(huán)境的細胞組成和免疫細胞的可及性在GBM亞型和患者中表現(xiàn)出較大的變異。這些因素導(dǎo)致GBM的免疫抑制，進而導(dǎo)致免疫治療失敗。鑒定與腫瘤微環(huán)境相關(guān)的積極參與類型的免疫基因和免疫細胞有助于闡明GBM免疫抑制的一般機制。近期，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科潘劍威教授及其團隊調(diào)查了GBM中生存相關(guān)的免疫細胞，并確定了與免疫細胞浸潤相關(guān)的hub基因，相關(guān)研究以“Identification of Immune Cell Infiltration and Immune-Related Genes in the Tumor Microenvironment of Glioblastomas”為題發(fā)表在Front Immunol雜志上，雜志影響因子為5.085。
技術(shù)路線：
結(jié)果：
1、生存相關(guān)免疫細胞的來源和鑒定
作者從TCGA數(shù)據(jù)庫下載166例GBM的公開數(shù)據(jù)，包括RNA-Seq和臨床數(shù)據(jù)，使用Kaplan-Meier生存分析免疫細胞豐度比之間的相關(guān)性，以闡明免疫細胞豐度比在總生存期中的潛在作用，生存分析結(jié)果表明M0巨噬細胞之間存在顯著負相關(guān)，而單核細胞、活化NK細胞和嗜酸性粒細胞可預(yù)測陽性總生存期（圖A-F）。
2、與生存相關(guān)免疫細胞相關(guān)的臨床數(shù)據(jù)
為確定免疫細胞對GBM臨床特征的影響，作者下載相關(guān)GBM臨床數(shù)據(jù)，探討與生存相關(guān)免疫細胞豐度比值的相關(guān)性。臨床特征包括年齡、性別、表達亞類和MGMT啟動子狀態(tài)。單核細胞和嗜酸性粒細胞的比值比在神經(jīng)型和神經(jīng)前型中增加，男性高于女性。
3、免疫相關(guān)基因的篩選
作者將免疫相關(guān)基因分為GBM中的高表達組和低表達組，火山圖顯示了4種存活相關(guān)免疫細胞的獨特基因表達譜，在單核細胞中共鑒定出1107個基因，巨噬細胞M0中共鑒定出1137個基因，活化NK細胞中共鑒定出1742個基因，嗜酸性粒細胞中共鑒定出1336個基因（圖A-D），維恩圖呈現(xiàn)4種免疫細胞浸潤中表達的38個相同基因（圖E）。
4、免疫相關(guān)基因的功能富集分析
GO分析發(fā)現(xiàn)，免疫相關(guān)基因在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、細胞粘附、細胞外基質(zhì)組織和化學(xué)突觸傳遞的生物學(xué)過程中顯著富集（圖A），細胞組分中的基因主要富集在質(zhì)膜、胞外外泌體、胞外間隙和胞外區(qū)（圖B），分子功能中的基因富集在蛋白結(jié)合、鈣結(jié)合、細胞骨架的結(jié)構(gòu)組成和微管結(jié)合（圖C）；KEGG分析發(fā)現(xiàn)免疫相關(guān)基因與細胞粘附分子、cAMP信號通路、白細胞跨內(nèi)皮遷移、蛋白消化吸收、Toll樣受體信號通路相關(guān)聯(lián)（圖D），這些結(jié)果證明基因與腫瘤微環(huán)境的細胞外基質(zhì)和細胞相互作用有關(guān)。
5、基于PPI網(wǎng)絡(luò)的模塊化分析
考慮到PPI網(wǎng)絡(luò)在基因數(shù)量方面的局限性，作者篩選了所有差異表達基因，但選擇了至少兩個免疫細胞中共表達的基因?？偟膩碚f，作者從4122個基因中鑒定出920個基因。將這些基因?qū)朐诰€STRING工具，闡明免疫相關(guān)基因的相互作用，最后得到了具有357個基因的PPI網(wǎng)絡(luò)，組合評分設(shè)定為≥0.4（圖A），并選擇了最重要的模塊進行進一步的功能分析（圖B）。
6、與生存相關(guān)的Hub基因的識別
根據(jù)臨界值標準，從PPI網(wǎng)絡(luò)中共鑒定出模塊中具有高連通性的24個hub基因，其中6個hub基因與生存率顯著相關(guān)，GRIA1、BST2、B2M、TRIM21與總生存期呈正相關(guān)，而GRIA2和MAP2與不良預(yù)后相關(guān)（圖A-F）。
使用Person相關(guān)性分析24個hub基因和22個免疫細胞之間的關(guān)系，在腫瘤免疫評估資源中驗證了免疫細胞類型的浸潤水平與生存相關(guān)hub基因之間的顯著關(guān)系，結(jié)果表明CD8+ T細胞、中性粒細胞和樹突狀細胞的浸潤水平與GRIA1、GRIA2和MAP2顯著相關(guān)， BST2和B2M與B細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞相關(guān)，TRIM21與B細胞和中性粒細胞相關(guān)(圖A-B)。
7、CGGA數(shù)據(jù)庫驗證免疫相關(guān)細胞，單細胞測序數(shù)據(jù)驗證免疫相關(guān)基因
作者從CGGA數(shù)據(jù)庫下載134例GBM樣本的免疫細胞基因表達數(shù)據(jù)，探討從TCGA數(shù)據(jù)庫中鑒定的免疫細胞的意義，結(jié)果顯示活化的NK細胞和單核細胞與陽性預(yù)后相關(guān)，這與之前從TCGA數(shù)據(jù)庫中獲得的數(shù)據(jù)一致。作者確定hub基因的預(yù)后價值后，分析了GBM中生存相關(guān)hub基因與免疫細胞浸潤的相關(guān)性，將細胞分為惡性和非惡性細胞類型，且高表達標記物分為巨噬細胞、T細胞、少突膠質(zhì)細胞等非惡性細胞，A1F1、C3AR1、FCGR1A、MNDA、HMOX1、TLR2僅在巨噬細胞中表達，B2M、CCT3、HSPA8、TUBA1A在4種細胞簇中均有明顯表達。參照生存相關(guān)基因，在巨噬細胞、T細胞和惡性細胞中檢測到BST2；GRIA1和GRIA2在少突膠質(zhì)細胞和惡性細胞中表達；MAP2僅在惡性細胞中檢測到；然而，在任何細胞類型中均未檢測到TRIM21。
結(jié)論：
腫瘤微環(huán)境中浸潤的免疫細胞和其他基質(zhì)成分與GBM的預(yù)后相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)了24個浸潤腫瘤微環(huán)境的免疫相關(guān)基因，可作為新的生物標志物和免疫治療靶點。
參考文獻：
Sicong Huang, Zijun Song, Tiesong Zhang, et al. Identification of Immune Cell Infiltration and Immune-Related Genes in the Tumor Microenvironment of Glioblastomas. Front Immunol. 2020.
膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤，約占所有原發(fā)性惡性腦腫瘤的80%，且預(yù)后不佳，生活質(zhì)量差，中位生存期< 1年。GBM的標準治療是手術(shù)切除，伴隨放療和替莫唑胺化療。雖然由于基因治療、免疫治療、疫苗治療等的發(fā)展，多種治療方法有所改善，管理GBM復(fù)發(fā)的治療選擇依然有限。大多數(shù)基于免疫檢查抑制點的GBM臨床研究和疫苗療法的試驗都沒有成功。通過免疫治療GBM臨床試驗失敗的原因歸因于幾個因素，包括高度免疫抑制環(huán)境和多種治療耐藥機制。GBM誘導(dǎo)局部免疫功能障礙和全身免疫抑制，從而引起GBM與周圍腫瘤微環(huán)境之間更復(fù)雜的偶聯(lián)關(guān)系。腫瘤微環(huán)境是局部免疫功能紊亂的至關(guān)重要的因素之一，它為癌細胞、多種基質(zhì)細胞和細胞外成分建立了小生境。腫瘤微環(huán)境在特定條件的建立中起著關(guān)鍵性作用，從而干擾血管生成、細胞死亡、氧化應(yīng)激和免疫逃逸。越來越多的研究揭示，腫瘤微環(huán)境不僅在腫瘤的發(fā)生、進展和遷移中至關(guān)重要，而且還影響治療耐藥性和惡性腫瘤的產(chǎn)生。腫瘤微環(huán)境的細胞組成和免疫細胞的可及性在GBM亞型和患者中表現(xiàn)出較大的變異。這些因素導(dǎo)致GBM的免疫抑制，進而導(dǎo)致免疫治療失敗。鑒定與腫瘤微環(huán)境相關(guān)的積極參與類型的免疫基因和免疫細胞有助于闡明GBM免疫抑制的一般機制。近期，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科潘劍威教授及其團隊調(diào)查了GBM中生存相關(guān)的免疫細胞，并確定了與免疫細胞浸潤相關(guān)的hub基因，相關(guān)研究以“Identification of Immune Cell Infiltration and Immune-Related Genes in the Tumor Microenvironment of Glioblastomas”為題發(fā)表在Front Immunol雜志上，雜志影響因子為5.085。
技術(shù)路線：
結(jié)果：
1、生存相關(guān)免疫細胞的來源和鑒定
作者從TCGA數(shù)據(jù)庫下載166例GBM的公開數(shù)據(jù)，包括RNA-Seq和臨床數(shù)據(jù)，使用Kaplan-Meier生存分析免疫細胞豐度比之間的相關(guān)性，以闡明免疫細胞豐度比在總生存期中的潛在作用，生存分析結(jié)果表明M0巨噬細胞之間存在顯著負相關(guān)，而單核細胞、活化NK細胞和嗜酸性粒細胞可預(yù)測陽性總生存期（圖A-F）。
2、與生存相關(guān)免疫細胞相關(guān)的臨床數(shù)據(jù)
為確定免疫細胞對GBM臨床特征的影響，作者下載相關(guān)GBM臨床數(shù)據(jù)，探討與生存相關(guān)免疫細胞豐度比值的相關(guān)性。臨床特征包括年齡、性別、表達亞類和MGMT啟動子狀態(tài)。單核細胞和嗜酸性粒細胞的比值比在神經(jīng)型和神經(jīng)前型中增加，男性高于女性。
3、免疫相關(guān)基因的篩選
作者將免疫相關(guān)基因分為GBM中的高表達組和低表達組，火山圖顯示了4種存活相關(guān)免疫細胞的獨特基因表達譜，在單核細胞中共鑒定出1107個基因，巨噬細胞M0中共鑒定出1137個基因，活化NK細胞中共鑒定出1742個基因，嗜酸性粒細胞中共鑒定出1336個基因（圖A-D），維恩圖呈現(xiàn)4種免疫細胞浸潤中表達的38個相同基因（圖E）。
4、免疫相關(guān)基因的功能富集分析
GO分析發(fā)現(xiàn)，免疫相關(guān)基因在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、細胞粘附、細胞外基質(zhì)組織和化學(xué)突觸傳遞的生物學(xué)過程中顯著富集（圖A），細胞組分中的基因主要富集在質(zhì)膜、胞外外泌體、胞外間隙和胞外區(qū)（圖B），分子功能中的基因富集在蛋白結(jié)合、鈣結(jié)合、細胞骨架的結(jié)構(gòu)組成和微管結(jié)合（圖C）；KEGG分析發(fā)現(xiàn)免疫相關(guān)基因與細胞粘附分子、cAMP信號通路、白細胞跨內(nèi)皮遷移、蛋白消化吸收、Toll樣受體信號通路相關(guān)聯(lián)（圖D），這些結(jié)果證明基因與腫瘤微環(huán)境的細胞外基質(zhì)和細胞相互作用有關(guān)。
5、基于PPI網(wǎng)絡(luò)的模塊化分析
考慮到PPI網(wǎng)絡(luò)在基因數(shù)量方面的局限性，作者篩選了所有差異表達基因，但選擇了至少兩個免疫細胞中共表達的基因?？偟膩碚f，作者從4122個基因中鑒定出920個基因。將這些基因?qū)朐诰€STRING工具，闡明免疫相關(guān)基因的相互作用，最后得到了具有357個基因的PPI網(wǎng)絡(luò)，組合評分設(shè)定為≥0.4（圖A），并選擇了最重要的模塊進行進一步的功能分析（圖B）。
6、與生存相關(guān)的Hub基因的識別
根據(jù)臨界值標準，從PPI網(wǎng)絡(luò)中共鑒定出模塊中具有高連通性的24個hub基因，其中6個hub基因與生存率顯著相關(guān)，GRIA1、BST2、B2M、TRIM21與總生存期呈正相關(guān)，而GRIA2和MAP2與不良預(yù)后相關(guān)（圖A-F）。
使用Person相關(guān)性分析24個hub基因和22個免疫細胞之間的關(guān)系，在腫瘤免疫評估資源中驗證了免疫細胞類型的浸潤水平與生存相關(guān)hub基因之間的顯著關(guān)系，結(jié)果表明CD8+ T細胞、中性粒細胞和樹突狀細胞的浸潤水平與GRIA1、GRIA2和MAP2顯著相關(guān)， BST2和B2M與B細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞相關(guān)，TRIM21與B細胞和中性粒細胞相關(guān)(圖A-B)。
7、CGGA數(shù)據(jù)庫驗證免疫相關(guān)細胞，單細胞測序數(shù)據(jù)驗證免疫相關(guān)基因
作者從CGGA數(shù)據(jù)庫下載134例GBM樣本的免疫細胞基因表達數(shù)據(jù)，探討從TCGA數(shù)據(jù)庫中鑒定的免疫細胞的意義，結(jié)果顯示活化的NK細胞和單核細胞與陽性預(yù)后相關(guān)，這與之前從TCGA數(shù)據(jù)庫中獲得的數(shù)據(jù)一致。作者確定hub基因的預(yù)后價值后，分析了GBM中生存相關(guān)hub基因與免疫細胞浸潤的相關(guān)性，將細胞分為惡性和非惡性細胞類型，且高表達標記物分為巨噬細胞、T細胞、少突膠質(zhì)細胞等非惡性細胞，A1F1、C3AR1、FCGR1A、MNDA、HMOX1、TLR2僅在巨噬細胞中表達，B2M、CCT3、HSPA8、TUBA1A在4種細胞簇中均有明顯表達。參照生存相關(guān)基因，在巨噬細胞、T細胞和惡性細胞中檢測到BST2；GRIA1和GRIA2在少突膠質(zhì)細胞和惡性細胞中表達；MAP2僅在惡性細胞中檢測到；然而，在任何細胞類型中均未檢測到TRIM21。
結(jié)論：
腫瘤微環(huán)境中浸潤的免疫細胞和其他基質(zhì)成分與GBM的預(yù)后相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)了24個浸潤腫瘤微環(huán)境的免疫相關(guān)基因，可作為新的生物標志物和免疫治療靶點。
參考文獻：
Sicong Huang, Zijun Song, Tiesong Zhang, et al. Identification of Immune Cell Infiltration and Immune-Related Genes in the Tumor Microenvironment of Glioblastomas. Front Immunol. 2020.