題目：A gene expression signature of TREM2hi macrophages and γδ T cells predicts immunotherapy response
發(fā)表期刊：Nature communications(IF:16.806)
發(fā)表年份：2020-10-08
摘要
背景：確定免疫檢查點療法（ICT）耐藥抵抗相關(guān)因素仍然具有挑戰(zhàn)性。大多數(shù)癌癥患者對ICT沒有反應(yīng)硬爆，并且生物標(biāo)記物的預(yù)測能力有限。
方法：分析了接受ICT治療的黑色素瘤樣本的單細胞RNA測序公共數(shù)據(jù)集和4個轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集孝情。
結(jié)果：確定了在ICT無應(yīng)答反應(yīng)的樣本中，有高表達TREM2的巨噬細胞亞群和gammadelta T細胞亞群角溃。此外捧灰，無應(yīng)答者的B細胞亞群比例顯著降低。在其他公共數(shù)據(jù)集中劲蜻，得到驗證。并最終建立了一個ImmuneCells.Sig考余，可以較準(zhǔn)確的預(yù)測ICT反應(yīng)先嬉。
分析方法
數(shù)據(jù)來源：黑色素瘤單細胞數(shù)據(jù)來自GSE120575，GSE115978楚堤。膀胱癌單細胞數(shù)據(jù)來自GSE123813疫蔓。還有四個黑色素瘤轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)來自GSE91061, ENA project PRJEB23709, dbGaP和phs000452.v3.p1。其中GSE120575作為訓(xùn)練集身冬，其他作為驗證集衅胀。
Seurat分析流程： GSE120575總共16291個單細胞進行聚類，包括有應(yīng)答組（17例Response樣本酥筝，5564個細胞）和進展/無應(yīng)答者（?31例子Non Response樣本滚躯，10727個細胞）。t-SNE和UMAP進行可視化。
轉(zhuǎn)錄組組數(shù)據(jù)和驗證：用到的R包是DESeq2掸掏，對應(yīng)AUC的計算用的是cancerclass包茁影。
通路分析：IPA software， GSVA丧凤，和GSEA呼胚。
結(jié)果：
1.免疫細胞群與ICT反應(yīng)的關(guān)聯(lián)。
總共得到16,291個細胞息裸，分為23個亞群，經(jīng)注釋后沪编，得到10個主要的免疫細胞亞群呼盆。 : CD8+ T cells (CD3+CD8A+CD4?); CD4+ T cells (CD3+CD8A?CD4+); Regulatory T cells (Tregs) (FOXP3+);MKI67hi Lymph. (MKI67+,); B cells (CD19+); Plasma cells (MZB1+,); NK cells(NCR1+NCAM1+,); γδ T cells (i.e., Tgd cells,CD3+CD8A?CD4?); Macrophages (MARCO+MERTK+,); and Dendritic cells (FCER1A+)
2.TREM2hi 巨噬細胞可能導(dǎo)致了ICT耐藥徽鼎。
cluster6、12和23中的巨噬細胞群在R組和NR組之間存在差異弹惦。其中否淤，在NR組，cluster6高了2.4倍棠隐，cluster23低了2.1倍石抡。但是cluster12巨噬細胞增加了15.1倍（NR4.88% vs R 0.32%）。這提示了cluster12可能參與了ICT耐藥助泽。對cluster6,12和23進行差異分析啰扛。結(jié)果顯示，Cluster 12 高度表達TREM2基因报咳，將這個細胞群命名為TREM2hiMφ (Mφ = macrophages)侠讯。在NR中，TREM2hi Mφ亞群高表達SPP1, RNASE1, MT1G, SEPP1, FOLR2, NUPR1, KLHDC8B, CCL18, MMP12, APOC2 和補體通路相關(guān)基因 C3, C1QA, C1QB, and C1QC暑刃。Cluster 6 (61.6% of all Mφ)高度表達免疫抑制蛋白 IDO1和炎癥基因 (FCER1A, S100A12, APOBEC3A, SELL, 和CXCL10)厢漩，將cluster6命名為Inflammatory Mφ。cluster23高度表達免疫調(diào)節(jié)相關(guān)基因LCK, TIGIT, PTPRCAP, KLRK1, LAT, IL32, IFITM1 和CCL5岩臣，因此將它命名為Immunoregulatory related Mφ溜嗜。
3.TREM2hi巨噬細胞中顯著豐富的通路宵膨。
接著是探索3類巨噬細胞亞群功能異質(zhì)性與ICT反應(yīng)結(jié)果相關(guān)性。他們發(fā)現(xiàn)每個巨噬細胞亞群都有特定的顯著富集通路炸宵。Inflammatory Mφ（cluster6）富集在了FCERI信號以及和FCERI介導(dǎo)的通路（NF-kappaB activation, Ca2+ mobilization and MAPK activation）辟躏。Immunoregulatory related Mφ（cluster23）富集在了調(diào)節(jié)SLITs and ROBOs表達以及 ROBO receptors通路上。TREM2hi Mφ（cluster12）土全，在NR中上調(diào)的比例最大捎琐，富集在補體激活相關(guān)通路（補體級聯(lián)及其機制調(diào)節(jié)、補體的初始觸發(fā)裹匙、C4和C2活化劑和經(jīng)典抗體介導(dǎo)的補體激活）瑞凑。
在TREM2hi Mφ中補體系統(tǒng)基因高度表達，包括補體C1q鏈（C1QA概页、C1QB和C1QC）籽御，C2和C3。這些基因在cluster 6和23中惰匙，要么不表達技掏，要么處于非常低的水平。TREM2hi巨噬細胞也過度表達M2極化基因（MMP14项鬼、CD276哑梳、FN1、MRC1绘盟、CCL13涧衙，CCL18，LYVE1奥此，PDCD1LG2（PD-L2）弧哎，MMP9，TGFB2稚虎，ARG2）撤嫩。因此，TREM2hi巨噬細胞可能在功能上接近M2型巨噬細胞蠢终，并可阻斷巨噬細胞的抗腫瘤活性序攘，有助于病人對ICT耐藥。
4.TREM2hi巨噬細胞特征的驗證
基于在TREM2hi巨噬細胞過度表達基因寻拂，開發(fā)了40個基因來代表TREM2hi巨噬細胞的特征程奠，包括與TREM2表達（補體系統(tǒng)或M2極化）高度相關(guān)，以及其他過度表達基因祭钉。為了測試TREM2hi巨噬細胞特征是否與ICT耐藥性相關(guān)瞄沙，他們還分析了另外兩個公開的基因表達數(shù)據(jù)集，同樣也是接受了免疫治療患者。ICT無應(yīng)答者的TREM2hi巨噬細胞特征（40個基因）的GSVA得分顯著高于應(yīng)答者距境，表明無應(yīng)答者的黑色素瘤有更高比例的TREM2hi巨噬細胞申尼。對40個基因進行GSVA分析，驗證了該基因集的特異性垫桂。
5.γδT細胞和B細胞亞群與ICT反應(yīng)的關(guān)系
他們還鑒定了兩組γδT細胞（n=927师幕；clusters8)。細胞數(shù)量最多的cluster8在R和NR中诬滩，無顯著差異霹粥。然而，一個罕見的γδT細胞類型（cluster21群疼鸟，n=146）蒙挑，NR組比R組高了12.1倍（NR組為1.31%，R組為0.11%）愚臀。這表明，cluster21γδT細胞（命為Tgd_c21）可能導(dǎo)致ICT耐藥矾利。對Tgd_c21和Tgd_c8進行差異分析姑裂，差異最明顯基因為RRM2，BIRC5男旗、SPC24舶斧、UBE2C和CDCA5。GSEA分析提示與癌癥相關(guān)的多種通路改變可能參與了Tgd_c21細胞對ICT耐藥機制察皇，包括 ligand-receptor binding capacity, IFNα and IFNβ signaling, IFN-γ response, and immunoregulatory interactions 通路的下調(diào)茴厉。因此，Tgd_c21亞群可能代表一個以前未識別的細胞類型什荣，其能損害抗腫瘤免疫功能矾缓。
6.在其他scRNA數(shù)據(jù)集驗證
下載重新分析了黑色素瘤接受免疫治療的單細胞數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集沒有γδT細胞數(shù)據(jù)喂急。他們發(fā)現(xiàn)存在類似的巨噬細胞和B細胞亞群格嘁，其特征類似于鑒定的TREM2hi巨噬細胞和B_c22 B細胞（補充圖8a，B）廊移。具體而言糕簿，“Mac_c1”巨噬細胞亞群過度表達TREM2hi巨噬細胞marker，如TREM2狡孔、SPP1懂诗、RNASE1、MT1G苗膝、SEPP1殃恒、FOLR2、KLHDC8B辱揭、CCL18离唐、MMP12、问窃，APOC2亥鬓、C3、C1QA域庇、C1QB和C1QC嵌戈；）√螅“B_s1”B細胞亞群過度表達B_c22 B細胞marker（ABCA6熟呛、LEF1、FGR尉姨、IL2RA惰拱、ITGAX和IL7）。
在這個數(shù)據(jù)集中啊送，與對照相比偿短，免疫治療無應(yīng)答者中，Mac_c1巨噬細胞亞群中TREM2hi巨噬細胞marker基因總體水平顯著升高馋没，B_s1 B細胞亞群中B_c22 Bmarker基因總體水平顯著降低昔逗。這些結(jié)果支持與前一個數(shù)據(jù)集的研究結(jié)果，即TREM2hi巨噬細胞和B_c22 B細胞在免疫治療反應(yīng)中變化趨勢一致。
此外，還下載分析了基底細胞癌basal cell carcinoma (BCC)接受抗PD1治療前后的單細胞數(shù)據(jù)集。先確定了與TREM2hi巨噬細胞和B_c22 B細胞表達特征相似的巨噬細胞和B細胞亞群谐鼎。確定了Mac_s2巨噬細胞亞群過度表達TREM2hi巨噬細胞標(biāo)記基因（TREM2笔链，F(xiàn)OLR2段只、MMP12、C1QA鉴扫、C1QB和C1Qc）赞枕；B_sc2 B細胞亞群過度表達B_c22 B細胞標(biāo)記基因（TRAC、IL2RA坪创、ITGB1炕婶、ZBTB32、TRAF1和
CCND2）莱预。并驗證Mac_s2細胞中TREM2hi巨噬細胞和B_sc2中B_c22B細胞marker整體變化水平柠掂。
與治療前BCC樣本相比，抗PD-1治療后依沮，Mac_s2細胞中TREM2hi巨噬細胞marker整體水平下調(diào)涯贞，而B_sc2中B_c22B細胞marker整體水平顯著上調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)表明危喉，在免疫治療反應(yīng)的背景下宋渔，黑色素瘤和基底細胞癌中的特征性基因表達發(fā)生類似的改變。
7.建立 ICT outcome signature.
由于TREM2HI Mφ姥饰、Tgd_c21和B_c22群體在ICT無應(yīng)答者和應(yīng)答者之間表現(xiàn)出最大的數(shù)量差異，他們假設(shè)這些群體特征基因的表達可以預(yù)測ICT結(jié)果孝治。為了探索這一假設(shè)列粪，他們使用R package cancerclass，開發(fā)了一個基于scRNA-seq數(shù)據(jù)集和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集GSE782209 ICT響應(yīng)特征簽名谈飒。該signature具有顯著的預(yù)測價值岂座。具體來說，對于GSE78220數(shù)據(jù)集（N=28杭措，NR：R:=13：15）费什，AUC值為0.98。在GSE78220中手素，28個樣本均來自治療前樣本鸳址。因為這個signature主要富集在TREM2hi Mφ, Tgd_c21, B_c22 immune cell subpopulations中，因此命名為ImmuneCells.Sig泉懦。在GSE91061稿黍，PRJEB23709和MGSP中驗證ImmuneCells.Sig，其AUC分別是0.96崩哩，0.86和0.88巡球。
結(jié)論
該研究確定了一個ImmuneCells.Sig酣栈，這個基因集主要在TREM2hi巨噬細胞险胰、Tgd_c21和B_c22亞群高表達。在4個獨立的數(shù)據(jù)集中矿筝，ImmuneCells.Sig對ICT的預(yù)測能力優(yōu)于其他現(xiàn)有的模型起便。該研究對這些免疫細胞群的研究為提高癌癥免疫治療的療效和更好地理解ICT耐藥性的機制提供了新的見解。
