The pan-cancer landscape of crosstalk between epithelial-mesenchymal transition and immune evasion relevant to prognosis and immunotherapy response

與預(yù)后和免疫治療反應(yīng)有關(guān)的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化和免疫逃逸之間的泛癌景觀

發(fā)表期刊：NPJ Precis Oncol

發(fā)表日期： 2021 Jun 22

doi:10.1038/s41698-021-00200-4

期刊相關(guān)信息

一踱讨、背景

????????上皮 - 間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）是細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過程，其中它們從上皮形式過渡到間充質(zhì)形式，這在胚胎發(fā)生和組織修復(fù)中起著關(guān)鍵作用辨宠。EMT還參與人類惡性腫瘤并推動癌癥進展，在EMT過程中，癌細(xì)胞的凋亡受到抑制喷楣，這有利于誘導(dǎo)癌癥干細(xì)胞，刺激血管生成鹤树，并增強腫瘤微環(huán)境的免疫抑制铣焊。此外，成功的 EMT 是在播散性腫瘤細(xì)胞和循環(huán)腫瘤細(xì)胞中觀察到的共同特征罕伯，這有助于癌癥的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移曲伊。

????????臨床前和臨床數(shù)據(jù)表明，EMT是治療期間或治療后的常見現(xiàn)象追他，治療誘導(dǎo)的EMT意味著治療耐藥性和癌癥進展坟募。然而，對EMT與免疫療法之間關(guān)系的研究是有限的邑狸，免疫療法是一種有希望的癌癥治療策略懈糯，旨在增加浸潤免疫溶解細(xì)胞的細(xì)胞溶解活性。

二单雾、材料與方法

1? 數(shù)據(jù)來源

1）從TCGA中獲得了相關(guān)的多組學(xué)數(shù)據(jù)赚哗，包括表達(dá)譜她紫、外顯子測序數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自17種不同類型的實體癌的8200個腫瘤

2）從Van Allen, Alexandra Snyder, Aleix Prat, Nadeem Riaz和Willy Hugo收集了五個用免疫阻斷療法（ICB）（抗PD-1/PD-L1或抗CTLA4治療）治療的獨立免疫療法數(shù)據(jù)集屿储，其中包括對非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）贿讹、HNSC、轉(zhuǎn)移性黑色素瘤和轉(zhuǎn)移性尿道癌（mUC）的治療

3）從Charoentong收集了28種免疫細(xì)胞類型的327個轉(zhuǎn)錄組

4）癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)從癌癥細(xì)胞系百科全書（CCLE）數(shù)據(jù)庫下載

5）在2018年5月至2020年9月在哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院接受腫瘤切除術(shù)的30名肺癌患者的肺癌組織

2? 分析流程

1）EMT和免疫逃逸之間的免疫調(diào)節(jié)串?dāng)_的定量模型：MT特征得分是基于比較145個上皮標(biāo)記基因和170個間質(zhì)標(biāo)記基因的表達(dá)够掠；ECI得分>0的腫瘤（稱為ECI高的腫瘤）被認(rèn)為具有比基于相應(yīng)CYT水平的預(yù)期更高的EMT特征民褂，而ECI<0的腫瘤（稱為ECI低的腫瘤）被認(rèn)為具有比基于相應(yīng)CYT水平的預(yù)期更低的EMT特征

2）腫瘤微環(huán)境中的免疫浸潤：Cibersort

3）確定與EMT和免疫規(guī)避之間的免疫調(diào)節(jié)串聯(lián)有關(guān)的癌細(xì)胞的分子和基因特征

4）免疫組化檢測

5）統(tǒng)計學(xué)分析：通過基因集富集分析（GSEA）對17種不同癌癥類型的標(biāo)志通路進行富集；使用Cox比例風(fēng)險模型分析了CYT依賴性和EMT依賴性的生存分析祖屏；通過ROC曲線評估腫瘤突變負(fù)荷（TMB）助赞、EMT、CYT和ECI對免疫療法反應(yīng)的影響袁勺。

三、實驗結(jié)果

01 - EMT和免疫逃逸之間的免疫調(diào)節(jié)串聯(lián)的系統(tǒng)性分析

????????作者首先研究了泛癌中腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（TILs）和EMT特征之間的關(guān)系畜普，發(fā)現(xiàn)在17種癌癥類型中存在明顯的正相關(guān)（補充圖1A）期丰。然后測試了這種相關(guān)性是否混淆了癌癥亞型的識別，發(fā)現(xiàn)TILs比例較高的癌癥亞型表現(xiàn)出持續(xù)較高的EMT特征吃挑，盡管不同癌癥亞型的TILs浸潤水平存在明顯的差異（圖1A）钝荡。

圖1????17種實體癌的EMT和免疫逃逸之間的串?dāng)_的泛癌景觀

????????細(xì)胞溶解免疫細(xì)胞是否與EMT特征相關(guān)以前尚未研究過，因此作者研究了與免疫細(xì)胞溶解活性（CYT）相關(guān)的潛在生物過程舶衬，該過程被用來評估免疫逃逸埠通，使用GZMA和PRF1表達(dá)值的幾何平均值。通過將每種癌癥類型的腫瘤分為CYT high組和CYT low組逛犹，GSEA的結(jié)果顯示端辱，免疫相關(guān)途徑和EMT過程在CYT high腫瘤中明顯富集（圖1B和補充圖1B）。CYT high腫瘤傾向于表現(xiàn)出間質(zhì)樣表型虽画，具有較高的EMT特征（補充圖1C）舞蔽。此外，觀察到在17種類型的癌癥中码撰，間質(zhì)標(biāo)記基因始終與CYT呈正相關(guān)渗柿，而上皮標(biāo)記基因通常與CYT呈負(fù)相關(guān)（圖1C）。

????????作者系統(tǒng)地描述了17種不同癌癥類型中免疫浸潤的細(xì)胞組成與EMT特征的關(guān)系脖岛，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)免疫細(xì)胞亞群的浸潤與EMT評分呈正相關(guān)（圖1D）朵栖。然后，組裝了28個免疫細(xì)胞亞群和83個EMT相關(guān)生長因子的327個轉(zhuǎn)錄組柴梆，發(fā)現(xiàn)與癌細(xì)胞系相比陨溅，效應(yīng)細(xì)胞亞群表達(dá)的生長因子與免疫抑制細(xì)胞相似（圖1E）。在83個EMT相關(guān)生長因子中轩性，觀察到55個生長因子不僅在免疫細(xì)胞中顯示出明顯高于癌細(xì)胞系的表達(dá)声登，而且還顯示出與EMT狠鸳、CYT和TILs部分的強烈相關(guān)性（補充圖1D）。例如悯嗓，四種眾所周知的誘導(dǎo)EMT的生長因子（TGFB1件舵、HGF、BMP1和PDGFB）脯厨，與其他免疫細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞相比铅祸，在CD4/8+T細(xì)胞中表現(xiàn)出更高的表達(dá)水平（圖1F和補充圖1D），表明抗免疫逃逸也會通過產(chǎn)生誘導(dǎo)EMT的生長因子促進EMT合武。上述結(jié)果共同證明了免疫逃逸和EMT之間存在著泛癌相關(guān)性临梗，并表明免疫效應(yīng)細(xì)胞可能能夠誘導(dǎo)EMT達(dá)到與免疫抑制細(xì)胞相似的程度。

補充圖1????EMT和腫瘤免疫之間的免疫調(diào)節(jié)串?dāng)_

02 - EMT和免疫逃逸之間的免疫調(diào)節(jié)串?dāng)_決定了癌癥的預(yù)后

????????浸潤免疫效應(yīng)細(xì)胞一般與生存率的提高和對免疫療法的反應(yīng)有關(guān)稼跳，而EMT一般與不良后果和免疫抑制有關(guān)盟庞。以UCEC為例，CYT評分較高的腫瘤與較長的生存期有關(guān)汤善，而EMT與較差的生存期有關(guān)（圖2A）什猖，盡管在UCEC中CYT和EMT是相互正相關(guān)的。作者還在泛癌癥水平上用薈萃分析法檢驗了上述觀察結(jié)果红淡，以充分利用不同的癌癥類型不狮，發(fā)現(xiàn)CYT分?jǐn)?shù)與有利的結(jié)果明顯相關(guān)，而EMT則與較差的生存率明顯相關(guān)在旱，盡管這兩個因素之間存在正相關(guān)性摇零。

圖2????EMT和免疫逃逸相互作用的預(yù)后相關(guān)性

????????觀察兩個與癌癥結(jié)果呈負(fù)相關(guān)的正相關(guān)因素的困境表明，EMT和免疫逃逸之間的串?dāng)_可能比單獨的免疫逃逸或EMT更具臨床相關(guān)性桶蝎。因此作者提出了一個ECI特征驻仅，對腫瘤微環(huán)境（TME）中免疫逃逸和EMT之間的串?dāng)_進行定量建模，根據(jù)腫瘤中相應(yīng)的CYT評分來估計EMT偏離預(yù)期量的程度俊嗽。使用多變量Cox比例風(fēng)險模型對癌癥類型進行校正的泛癌癥分析顯示了顯著的拮抗作用雾家，表明較高的ECI將減少免疫逃逸和生存之間的有益聯(lián)系。對于黑色素瘤绍豁，較高的CYT評分只與ECI低的腫瘤的生存獲益明顯相關(guān)（圖2B）芯咧。此外，在評估的大多數(shù)癌癥類型中竹揍，與單獨的EMT或CYT相比敬飒，ECI是預(yù)測較差生存結(jié)果的更準(zhǔn)確的預(yù)后因素（圖2C）。這些結(jié)果表明芬位，免疫細(xì)胞的高度浸潤并不一定表明有整體的殺傷力无拗。

03 - EMT和免疫逃逸之間的免疫調(diào)節(jié)串聯(lián)與免疫檢查點阻斷的反應(yīng)有關(guān)

????????接下來，作者研究了EMT-免疫軸是否影響了臨床免疫治療反應(yīng)昧碉。在五個已發(fā)表的免疫治療數(shù)據(jù)集中英染，對ICB耐藥的腫瘤與ECI的增加有關(guān)揽惹，這些數(shù)據(jù)集都是用ICB療法治療的（圖3A）∷目担總的來說搪搏，在所有的免疫治療數(shù)據(jù)集中，ECI低的腫瘤的反應(yīng)率為60.3%闪金，而ECI高的腫瘤的反應(yīng)率只有36.1%疯溺。作者進一步確定ECI在預(yù)測ICB反應(yīng)方面的表現(xiàn)。在不同的免疫治療數(shù)據(jù)集中哎垦，與TMB囱嫩、EMT特征或CYT相比，ECI對ICB反應(yīng)的預(yù)測性能始終較好漏设，曲線下面積為0.615-0.758（圖3B）墨闲。TMB在不同的數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)出適度的預(yù)測性能，而CYT和EMT在其他研究的數(shù)據(jù)集中不具備良好的預(yù)測性能愿题。對此可能的解釋是损俭，ECI被作為EMT和CYT之間串聯(lián)的衡量標(biāo)準(zhǔn)來評估免疫抵抗力，因此總體上具有更好的性能潘酗。作者進一步比較了EMT、CYT和ECI在ICB反應(yīng)高的癌癥中的分布雁仲，包括CESC仔夺、BLCA、HNSC攒砖、LUSC和LUAD缸兔，反應(yīng)相對低的包括OV、PRAD和BRCA吹艇。對于CESC惰蜜、BLCA、HNSC受神、LUSC和LUAD抛猖，CYT相對高于其EMT，而對于OV鼻听、PRAD和BRCA财著，CYT相對低于其EMT。使用ECI撑碴，發(fā)現(xiàn)CESC撑教、BLCA、HNSC醉拓、LUSC和LUAD的ECI值比OV伟姐、PRAD和BRCA低收苏。這些結(jié)果強調(diào)了ECI對于識別將從免疫治療中受益的患者的潛在臨床意義。

圖3????ECI預(yù)測了對免疫檢查點阻斷的反應(yīng)

04 - 免疫浸潤的細(xì)胞組成有助于EMT和免疫逃逸之間的串?dāng)_

????????上圖顯示愤兵，幾乎所有免疫細(xì)胞都產(chǎn)生一組相似的生長因子鹿霸，并與EMT特征呈正相關(guān)。然而恐似，免疫逃逸是由免疫效應(yīng)細(xì)胞和抑制細(xì)胞的相對組成決定的杜跷。作者假設(shè)，確定免疫浸潤的細(xì)胞組成對于理解免疫逃逸和EMT之間的串?dāng)_至關(guān)重要矫夷。為了驗證這一假設(shè)葛闷，使用皮爾遜相關(guān)分析法對每種癌癥類型的ECI與不同免疫細(xì)胞類型的相對部分之間的關(guān)聯(lián)進行研究。發(fā)現(xiàn)CD8+T細(xì)胞双藕、激活記憶CD4+T細(xì)胞淑趾、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Tregs）、漿細(xì)胞忧陪、T輔助細(xì)胞扣泊、M1巨噬細(xì)胞和激活NK細(xì)胞的浸潤與ECI呈明顯的負(fù)相關(guān)。而M0/M2巨噬細(xì)胞嘶摊、單核細(xì)胞延蟹、肥大細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞叶堆、記憶B細(xì)胞阱飘、幼稚CD4+T細(xì)胞和靜息記憶CD4+T細(xì)胞在泛癌癥水平上與ECI呈顯著正相關(guān)（圖4A）。這些結(jié)果與抗免疫逃逸的對立作用相一致虱颗。作為一個案例研究沥匈，進行免疫組化檢測，標(biāo)記巨噬細(xì)胞或CD8+T細(xì)胞忘渔，檢測肺癌中波形蛋白的表達(dá)高帖。M1同時表達(dá)CD68和CD16，M2同時表達(dá)CD68和CD163畦粮，代表性的圖像顯示在圖4B中散址。通過評估免疫組化結(jié)果，分析了波形蛋白表達(dá)與M1锈玉、M2或CD8+T細(xì)胞浸潤之間的相關(guān)性爪飘。結(jié)果顯示，波形蛋白的表達(dá)與肺癌中的M1和M2數(shù)量呈正相關(guān)拉背，但與M1/M2的比例呈負(fù)相關(guān)师崎。同時，波形蛋白的表達(dá)與肺癌中CD8+T細(xì)胞的數(shù)量呈正相關(guān)（圖4C）椅棺。

圖4????免疫浸潤的細(xì)胞成分與EMT和免疫逃逸相互作用的關(guān)系

????????然而犁罩，免疫浸潤和ECI之間的相關(guān)性也顯示了不同類型癌癥之間的異質(zhì)性（圖4D）齐蔽。在大多數(shù)癌癥類型中，較高比例的浸潤免疫細(xì)胞與ECI呈正相關(guān)床估，而只有兩種類型的癌癥（CESC和UCEC）有較高比例的浸潤免疫細(xì)胞與ECI呈負(fù)相關(guān)含滴。

????????作者還研究了OV和HNSC，其中的間質(zhì)亞型已被確定丐巫，并觀察到在癌癥的間質(zhì)亞型中始終擁有相對較高的M2巨噬細(xì)胞比例谈况，而CD8+T細(xì)胞和T輔助細(xì)胞的比例相對較低（圖4D）。為了獲得免疫組成如何決定ECI的總體視圖递胧，作者根據(jù)22種免疫亞群的相對比例碑韵，用UMAP對泛癌腫瘤樣本進行聚類（圖4E）。對免疫浸潤的細(xì)胞組成的聚類分析顯示了從ECI低的腫瘤到ECI高的腫瘤的明顯過渡缎脾，這表明ECI是由免疫浸潤的細(xì)胞組成決定的祝闻。這與觀察到的對ICB的反應(yīng)與ECI有關(guān)是一致的。進一步將免疫細(xì)胞分為有利于免疫的組和有利于EMT的組遗菠，它們可能分別向抗免疫逃逸或EMT傾斜联喘。對免疫浸潤的細(xì)胞組成進行表征，發(fā)現(xiàn)不同類型的癌癥之間有利于免疫和有利于EMT的細(xì)胞分布具有異質(zhì)性（圖4F）辙纬。本研究中評估的大多數(shù)類型的癌癥在TME中都顯示出有大量的有利于EMT的細(xì)胞浸潤豁遭，而只有兩種類型的癌癥（CESC和UCEC）有大量有利于免疫的細(xì)胞浸潤。

05 - 影響EMT和免疫規(guī)避之間的免疫調(diào)節(jié)串聯(lián)的分子和遺傳特征的描述

????????接下來贺拣，作者研究了腫瘤細(xì)胞的分子和遺傳特征是否會影響EMT和抗免疫逃逸之間的免疫調(diào)節(jié)串?dāng)_堤框。據(jù)報道，基因的非同義突變有助于腫瘤細(xì)胞中新抗原的產(chǎn)生纵柿，因此可能增加效應(yīng)免疫細(xì)胞的浸潤。作者首先研究了CYT-EMT串?dāng)_與基因組特征之間的關(guān)系启绰，發(fā)現(xiàn)在不同類型的癌癥中昂儒，非同義突變的總體速率與CYT水平呈正相關(guān)（補充圖4A），免疫細(xì)胞如CD8T細(xì)胞與ECT負(fù)相關(guān)（補充圖4B）委可。相反渊跋，非同義突變的總量與EMT特征（補充圖4C）和與ECT正相關(guān)的免疫細(xì)胞部分如M2巨噬細(xì)胞（補充圖4D）都呈負(fù)相關(guān)。與上述結(jié)果一致着倾，作者發(fā)現(xiàn)在多種類型的癌癥中拾酝，ECI與整體非同義突變負(fù)擔(dān)呈負(fù)相關(guān)（圖5A），突變負(fù)荷與免疫細(xì)胞的浸潤有關(guān)卡者，與 ECT 呈負(fù)相關(guān)蒿囤。

補充圖4????EMT與腫瘤免疫相互作用的分子和遺傳決定因素

????????有報道稱，基因組不穩(wěn)定性與癌癥免疫有關(guān)崇决。作者研究了基因組不穩(wěn)定性與EMT和免疫逃逸之間的相互作用的關(guān)聯(lián)材诽。在多種類型的癌癥中底挫，染色體不穩(wěn)定性與ECI之間存在明顯的正相關(guān)，這表明染色體不穩(wěn)定性與免疫細(xì)胞的浸潤正相關(guān)ECI（圖5B）脸侥。由于抗免疫逃逸可能選擇具有遺傳特征的腫瘤建邓，使其對免疫攻擊具有抵抗力，從而富集了與免疫細(xì)胞正相關(guān)的ECI睁枕，作者進一步調(diào)查了參與抗原呈遞的基因的突變官边。在幾種類型的癌癥中，HLA-A/B/C基因的突變與較高的CYT水平有關(guān)外遇，但并不總是與明顯較高的EMT特征有關(guān)（圖5C）注簿。HLA基因的突變與CD8+效應(yīng)T細(xì)胞的浸潤呈正相關(guān)，但與Tregs沒有關(guān)聯(lián)（補充圖4E）臀规。這些結(jié)果表明滩援，HLA基因的突變并不增加EMT，盡管它們可能有利于逃避免疫攻擊塔嬉。

圖5????EMT和免疫逃避相互作用的分子和遺傳決定因素

06 - 致癌基因改變與EMT和免疫逃逸之間的免疫調(diào)節(jié)性串?dāng)_有關(guān)

????????腫瘤驅(qū)動基因在癌癥的發(fā)生和發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用玩徊。因此，作者推斷致癌基因的改變可能是EMT和免疫逃逸之間的平衡的原因谨究。作者重點研究了以前的泛癌癥研究中發(fā)現(xiàn)的373個有突變的驅(qū)動基因和200個有CNV的驅(qū)動基因恩袱。進行了了泛癌癥回歸分析，調(diào)整了背景突變率和腫瘤類型胶哲，發(fā)現(xiàn)23個突變的畔塔、18個擴增的和20個刪除的驅(qū)動基因與ECI明顯相關(guān)。在這些改變的驅(qū)動基因中鸯屿，CASP8是與CESC和HNSC的ECI相關(guān)的最豐富的基因（圖5D）澈吨。

????????發(fā)現(xiàn)TP53信號通路的基因（如MDM2、TP53和CDKN2A）含有與ECI明顯相關(guān)的驅(qū)動改變寄摆。作者觀察到P53的突變與ECI呈正相關(guān)（圖5D）谅辣。總之婶恼，這些確定的與ECI相關(guān)的致癌基因改變可能作為EMT和免疫逃避之間的免疫調(diào)節(jié)串?dāng)_的基因組驅(qū)動因素桑阶。

四、結(jié)論

????????總之勾邦，本研究采用了大規(guī)模的定量多組學(xué)方法來描述廣泛的實體瘤中EMT和免疫逃逸之間復(fù)雜而動態(tài)的免疫調(diào)節(jié)串?dāng)_蚣录。確定了與EMT和免疫逃逸之間的平衡有關(guān)的潛在因素。這里介紹的所有這些結(jié)果和模型加深了對腫瘤和免疫與EMT相互作用的復(fù)雜性的理解眷篇，并可能有助于為預(yù)測免疫療法反應(yīng)的新型生物標(biāo)志物的開發(fā)提供更好的機制洞察力萎河。