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提起炎癥，除了“紅、腫、熱、痛”外，還得留意一個(gè)關(guān)鍵詞-“溶解”。在炎癥反應(yīng)中，中性粒細(xì)胞死亡后釋放各種蛋白水解酶溶解壞死組織。今天就帶大家一起看一篇以溶解為主題的生信分析。文章“ Gene Expression of the D-Series Resolvin Pathway Predicts Activation of Anti-Tumor Immunity and Clinical Outcomes in Head and Neck Cancer ”于2022年6月發(fā)表于《International Journal of Molecular Sciences》,影響因子5.98分。
研究背景
1、病原體、腫瘤等因素引起的炎癥，均在局部呈現(xiàn)出復(fù)雜的免疫微環(huán)境，從炎癥出現(xiàn)到炎癥吸收，是一個(gè)活躍的過(guò)程，包括細(xì)胞浸潤(rùn)成分的改變，如從多態(tài)核中性粒細(xì)胞(polymorphonuclear neutrophils, PMN)到單核-巨噬細(xì)胞。重慶大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院李詠生、吳永忠團(tuán)隊(duì)在《Signal Transduction and Targeted Therapy》雜志發(fā)表了題為“Inflammation and tumor progression: signaling pathways and targeted intervention”的長(zhǎng)篇綜述論文，從炎癥的啟動(dòng)與消退過(guò)程入手，系統(tǒng)闡述了炎癥與腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療之間的復(fù)雜關(guān)系，深入解析了促癌和抑癌的炎癥類型，并詳細(xì)討論了靶向調(diào)控炎癥在腫瘤治療中的干預(yù)策略。
2、炎癥的消退不是被動(dòng)的炎癥反應(yīng)的終止，而是在炎癥發(fā)生后最初數(shù)小時(shí)內(nèi)即啟動(dòng)的，由多種細(xì)胞和抗炎因子、促消退介質(zhì)（Specialized Proresolving Mediators, SPM）共同參與的主動(dòng)的程序化過(guò)程。一旦炎癥無(wú)法及時(shí)消退，則轉(zhuǎn)變?yōu)槁匝装Y，可能會(huì)誘發(fā)包括惡性腫瘤在內(nèi)的一系列炎癥疾病。
3、SPM屬包含四個(gè)主要的生物活性化合物超家族，分別是脂氧素類(lipoxins,LX)、resolvins (resolvins , Rv)、marisins (Mar), 外源凝集素和保護(hù)素(protectins, PD)。二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)通過(guò)15-脂氧合酶(LOX)介導(dǎo)的碳-17氧化反應(yīng)生成RvD。RvD調(diào)節(jié)白細(xì)胞浸潤(rùn)和活性，以及細(xì)胞因子的釋放以促進(jìn)炎癥的緩解。RvD超家族包括6個(gè)成員(RvD 1-6)。
結(jié)果展示
Definition of the RvD Score and Patients Stratification
RvD評(píng)分的定義和患者分層
為了評(píng)估RvD評(píng)分和臨床結(jié)果之間的關(guān)系，作者從提取了TCGA的頭頸部腫瘤 (HNSC) 的RNA-seq數(shù)據(jù)，用于計(jì)算RvD評(píng)分。最終的RvD評(píng)分計(jì)算結(jié)果如圖1B所示。作者將HNSC的RNA-seq數(shù)據(jù)與患者的臨床特征進(jìn)行整合，并根據(jù)RvD評(píng)分將HNSC患者進(jìn)行分層（高評(píng)分VS低評(píng)分）。這些亞組被用于分析RvD評(píng)分在預(yù)測(cè)預(yù)后，以及差異表達(dá)基因參與的生物學(xué)過(guò)程，預(yù)測(cè)患者對(duì)免疫治療的反應(yīng)、與腫瘤內(nèi)免疫細(xì)胞浸潤(rùn)水平 (圖1C)。此外，對(duì)人乳頭瘤病毒(HPV)陰性的HNSC也進(jìn)行了的分析。既往文獻(xiàn)報(bào)道HPV陰性HNSC的預(yù)后通常比HPV陽(yáng)性的HNSC差。
High RvD Score Predicts Better Prognosis in HNSC
高RvD評(píng)分預(yù)示HNSC預(yù)后較好
RvD通路包括了5個(gè)基因: ALOX15、ALOX15、FPR2、GPR18、GPR32、HPGD和PTGR1。利用TCGA-HNSC的RNA-seq數(shù)據(jù)分繪制成5個(gè)基因的的熱圖(圖2A)。為了評(píng)估RvD通路中基因表達(dá)水平與患者生存時(shí)間之間的關(guān)系，在TIMER 2.0數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行納入年齡、性別和腫瘤純度的Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型分析(圖2B)。結(jié)果顯示，GPR18基因的表達(dá)水平與HPV陽(yáng)性和HNSC患者更好的預(yù)后顯著相關(guān)，因此提示信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因高表達(dá)具有保護(hù)作用。值得注意的是，GPR18的表達(dá)也與宮頸癌(CESC) (另一種HPV 陽(yáng)性腫瘤) 以及幾種惡性腫瘤(如尿路上皮性膀胱癌、間皮瘤、皮膚黑色素瘤)的預(yù)后成正相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了其對(duì)腫瘤的保護(hù)作用。而另一種RvD受體，GPR32的表達(dá)水平與其它幾種腫瘤預(yù)后較差相關(guān)，如腎嫌色細(xì)胞癌、頸腎腎乳頭狀細(xì)胞癌和低級(jí)別膠質(zhì)瘤。其他RvD通路中的基因在不同腫瘤中與預(yù)后的關(guān)系也不一致。相反，PTGR1的表達(dá)與腫瘤患者死亡風(fēng)險(xiǎn)的增加相關(guān)，尤其是在HPV 陰性的HNSC中，而PTGR1在腎腎透明細(xì)胞癌中具有保護(hù)作用。因此，參與RvD通路的基因在不同腫瘤中對(duì)腫瘤進(jìn)展有不同的作用，從而揭示了RvD通路在腫瘤發(fā)生過(guò)程中的重要性。
作者接下來(lái)根據(jù)RvD評(píng)分(圖1B)對(duì)HNSC患者進(jìn)行分層，并分析其臨床結(jié)局。與RvD評(píng)分較低的患者相比，RvD評(píng)分較高的患者無(wú)病生存期顯著增加(圖2C)，這表明RvD評(píng)分較高的HNSC患者具有明顯的生存優(yōu)勢(shì)。與此一致的是，與死亡的患者相比，生存及或非腫瘤原因死亡患者的RvD評(píng)分較高(圖2D)，進(jìn)一步證實(shí)了RvD評(píng)分與HNSC臨床結(jié)局相關(guān)。相比之下，采用(ALOX5 + ALOX12) (ALOX15 + ALOX5) (FPR2 + GPR32)/(HPGD + PTGR1)計(jì)算的脂氧素評(píng)分(lipoxin評(píng)分), 應(yīng)用與RvD評(píng)分相同的原則，lipoxin評(píng)分不能預(yù)測(cè)HNSC的生存 (圖2E)?？偟膩?lái)說(shuō)，RvD評(píng)分與HNSC的較好預(yù)后相關(guān)。
HNSC with High RvD Score Showed Transcriptional Fingerprints of Enhanced Anti-Tumor Immunity
高RvD評(píng)分的HNSC具有增強(qiáng)抗腫瘤免疫的轉(zhuǎn)錄圖譜
為了研究RvD評(píng)分較高的腫瘤的轉(zhuǎn)錄情況，作者在單基因水平上比較了RvD評(píng)分高和RvD評(píng)分低的患者的RNA-seq數(shù)據(jù)，分析差異表達(dá)的基因。一共包括254個(gè)下調(diào)和2304個(gè)上調(diào)的差異基因(圖3A,B)。此外，智能途徑分析(Ingenuity Pathway Analysis, IPA) 軟件顯示，RvD評(píng)分高組中，差異基因與抗腫瘤免疫相關(guān)的條目相關(guān)，如Th1通路、白細(xì)胞活化和細(xì)胞毒性，白細(xì)胞介素-1 β (IL1B)、腫瘤壞死因子α (TNF)和干擾素γ (INFG)的活化驅(qū)動(dòng)(圖3C)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)(Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery, DAVID) 進(jìn)行基因本體(GO)分析，證實(shí)RvD評(píng)分高組中的差異基因在炎癥、免疫應(yīng)答、細(xì)胞因子和趨化因子信號(hào)傳導(dǎo)、先天免疫和適應(yīng)性免疫、T細(xì)胞激活等方面發(fā)揮作用。因此，具有較高RvD評(píng)分腫瘤顯示出有益的抗腫瘤免疫的趨勢(shì)。
為了證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)，IPA被用于分析RvD評(píng)分高的腫瘤中受到影響的基因 (圖1C)。在分子和細(xì)胞水平上，高RvD評(píng)分腫瘤中的差異基因與細(xì)胞間信號(hào)和相互作用以及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和信號(hào)的調(diào)節(jié)顯著相關(guān)。差異基因參與調(diào)節(jié)血細(xì)胞的發(fā)育和活動(dòng)、免疫細(xì)胞運(yùn)輸和免疫反應(yīng)(圖4A)。受影響最顯著的生物過(guò)程有白細(xì)胞亞群的細(xì)胞移動(dòng)(圖4B)和激活(圖4C)。為了推斷腫瘤內(nèi)浸潤(rùn)的白細(xì)胞水平，利用CIBERSORT分析了高與低RvD評(píng)分的腫瘤的整體RNA-seq數(shù)據(jù)(圖1C)，分析 10個(gè)白細(xì)胞亞群的豐度(B細(xì)胞、漿細(xì)胞、CD8 +和CD4 +、T細(xì)胞、NK細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞、肥大細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、中性粒細(xì)胞)。RvD評(píng)分高的腫瘤CD4 +、CD8 + T淋巴細(xì)胞等抗腫瘤效應(yīng)物水平升高(圖4D)，血漿和樹(shù)突狀細(xì)胞浸潤(rùn)減少。此外，差異基因的IPA顯示高RvD評(píng)分的腫瘤顯示骨髓細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的激活增加(圖4E)，免疫炎癥介質(zhì)水平增加，細(xì)胞介導(dǎo)、細(xì)胞毒性和體液反應(yīng)增強(qiáng)(圖4F)。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)差異基因分析表明，RvD評(píng)分識(shí)別出了具有改變的免疫效應(yīng)動(dòng)力學(xué)和抗腫瘤激活狀態(tài)的HNSC腫瘤。
High RvD Score Identifies Potential Responders to ICI Therapies
高RvD評(píng)分確定ICI治療的潛在應(yīng)答者
既往研究報(bào)道，靶向HNSC的程序性細(xì)胞死亡蛋白-1 (PD-1)及其配體，患者并沒(méi)有受益于這些藥物。因此，選擇適合免疫治療的患者至關(guān)重要。文獻(xiàn)報(bào)道PD-L1 (CD274)、細(xì)胞毒性t淋巴細(xì)胞抗原4 (CTLA4)、淋巴細(xì)胞激活基因3 (LAG3)、程序性細(xì)胞死亡蛋白1 (PDCD1)，可作為確定免疫治療生物標(biāo)志物。因此，作者比較了RvD高評(píng)分和RvD低評(píng)分患者的CD274、CTLA4、LAG3和PDCD1的表達(dá)水平(圖1C)。分析顯示，RvD評(píng)分高的腫瘤的所有4個(gè)靶點(diǎn)水平顯著增加(圖5A,B)，表明免疫治療的反應(yīng)更好。
此外，在HNSC的 RvD高評(píng)分隊(duì)列中，多形核中性粒細(xì)胞 (PMN)的浸潤(rùn)水平也發(fā)生改變，可能與分化、刺激和免疫反應(yīng)相關(guān)的通路激活增加(圖6F)。
Higher RvD Scores Predicted Improved Anti-Tumor Immunity and Outcomes in HPV Negative HNSC
較高的RvD評(píng)分預(yù)示著HPV陰性HNSC抗腫瘤免疫和預(yù)后的改善
既往文獻(xiàn)報(bào)道，HPV陰性HNSC與HPV陽(yáng)性HNSC相比，預(yù)后和治療反應(yīng)存在差異。因此，確定RvD評(píng)分是否能識(shí)別具有較強(qiáng)的抗腫瘤免疫能力和較高生存率的患者亞群是至關(guān)重要的。作者根據(jù)cBioPortal報(bào)道的HNSC腫瘤的HPV狀態(tài)進(jìn)行篩選，并比較RvD評(píng)分。與HPV陽(yáng)性HNSC相比，HPV陰性HNSC表現(xiàn)出更低的RvD評(píng)分，因此，HPV陰性患者預(yù)后差也可能部分歸因于RvD通路發(fā)生改變(圖7A)。此外，根據(jù)HNSC患者的RvD評(píng)分對(duì)HPV陰性患者進(jìn)行分層，發(fā)現(xiàn)RvD評(píng)分較高的患者無(wú)病生存期延長(zhǎng)，這也表明RvD通路在HNSC亞群中具有保護(hù)作用(圖7B)。重要的是，在RvD評(píng)分較高的HPV陰性HNSC中，CD8 + T細(xì)胞抗腫瘤免疫的免疫治療靶點(diǎn)和效應(yīng)物水平增加(圖7C,D)。因此，高RvD評(píng)分與預(yù)后好和CD8 + T細(xì)胞抗腫瘤免疫增強(qiáng)相關(guān)，提示RvD通路的可能通過(guò)增強(qiáng)白細(xì)胞功能抑制HNSC進(jìn)展。
總結(jié)
作者建立了RvD評(píng)分來(lái)評(píng)估來(lái)resolvin通路在HNSC中可能參與的生物學(xué)過(guò)程。研究結(jié)果表明，對(duì)于HNSC患者，無(wú)論是HPV陽(yáng)性還是陰性，RvD評(píng)分高的患者無(wú)病生存期更長(zhǎng)，可能是由于該組患者CD8 + T細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的抗腫瘤免疫增強(qiáng)。
