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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(dǎo)致腫瘤細(xì)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(fā)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(guān)6條重要通路上的基因在癌癥轉(zhuǎn)移前后的改變狀態(tài)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(xì)胞逃脫免疫系統(tǒng)殺傷作用，是腫瘤特異性突變的累積效應(yīng)，通過免疫逃逸相關(guān)腫瘤特異性基因組改變（GIE）被MHC-I呈遞到細(xì)胞表面的新抗原表位體現(xiàn)。多種生物機制導(dǎo)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(xì)胞的促凋亡信號?？乖蔬f一般重點關(guān)注HLA-I基因，由于其在人群中的巨大多態(tài)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(shù)量減少等都是已知的GIE事件，在原發(fā)腫瘤中被廣泛研究，而晚期轉(zhuǎn)移性腫瘤中GIE相比原發(fā)腫瘤發(fā)生率的一致性或動態(tài)改變，由于缺乏廣泛研究，兩者的差異尚不清楚。
研究結(jié)論
來自荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)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(fā)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(qū)動的表觀遺傳免疫逃逸（圖1a）。研究發(fā)現(xiàn)，1/4的患者中出現(xiàn)GIE事件，不同癌癥類型中GIE相關(guān)生物機制和頻率具有很大差異。原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤的GIE發(fā)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(dǎo)地位。同時本文研究人員開發(fā)了LILAC，一個綜合檢測HLA status的開源集成框架，實現(xiàn)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(tài)
腫瘤樣本HLA-I status推斷是識別GIE改變的基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)集上都具有較高的一致性（圖1c），可能是由于該數(shù)據(jù)集較高的測序深度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。基于三人組家系的HLA-I分型結(jié)果顯示，LILAC與先前報道的分型結(jié)果完全一致（圖1d）。LILAC對TRACERx100肺癌隊列WES數(shù)據(jù)HLA-I分型結(jié)果具有98.16%的一致性。對95個之前有研究表明較難準(zhǔn)確分型的樣本，LILAC分型結(jié)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(xì)胞突變。
LILAC根據(jù)比對到每個allele的片段數(shù)和基于純度矯正計算拷貝數(shù)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(shù)據(jù)分析結(jié)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(tài)
不同癌種中GIE發(fā)生率和 途徑對比
研究隊列中包括1880例PCAWG原發(fā)患者和4,439例Hartwig轉(zhuǎn)移患者（圖2a），這些患者總共分為58種癌癥類型，其中包括轉(zhuǎn)移隊列中具有足夠高代表性(患者數(shù)量≥15)的30種腫瘤類型（圖2b），原發(fā)隊列中27種高代表性癌類型，原發(fā)和轉(zhuǎn)移隊列中都具有高表達(dá)性的20種腫瘤類型。分析結(jié)果顯示，四分之一的患者(26%的轉(zhuǎn)移性患者和24%的原發(fā)性患者)在六種研究途徑中出現(xiàn)了GIE改變（圖2c-d）。轉(zhuǎn)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(shù)為0.27，原發(fā)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(jīng)內(nèi)分泌(PANET，轉(zhuǎn)移性)、彌漫性大b細(xì)胞淋巴瘤(DLBCL，轉(zhuǎn)移性)和腎嗜色癌(KICH，原發(fā)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(jīng)內(nèi)分泌(LUNET，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移性癌癥患者和319例(17%)的原發(fā)性癌癥患者中檢出，其次是IFN-γ失活(4%的轉(zhuǎn)移性癌癥患者和3%的原發(fā)性癌癥患者)和抗原呈遞途徑的改變(4%的轉(zhuǎn)移性癌癥和3%的原發(fā)性癌癥)。CD58失活是最不常見的免疫逃逸事件，僅在16例轉(zhuǎn)移性患者和8例原發(fā)患者中出現(xiàn)。KICH和PANET腫瘤高GIE發(fā)生率完全是由于HLA-I LOH，而其他類型的癌癥表現(xiàn)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(dǎo)的新表位呈遞和CD58丟失的同時改變，以有效地逃避免疫監(jiān)視。
原發(fā)和轉(zhuǎn)移腫瘤樣本中GIE發(fā)生率對比
在原發(fā)和轉(zhuǎn)移隊列中具有充分代表性的20種癌癥類型數(shù)據(jù)GIE結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移過程中大量的基因組轉(zhuǎn)化有關(guān)，THCA轉(zhuǎn)移富集是HLA-I LOH發(fā)生率增加的結(jié)果，而PRAD的差異是多種免疫逃逸途徑廣泛富集的結(jié)果。
圖3.原發(fā)和轉(zhuǎn)移腫瘤樣本的GIE發(fā)生情況
HLA-I基因突變的正向選擇
對泛癌隊列數(shù)據(jù)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(fā)生發(fā)展過程中被正向選擇，導(dǎo)致突變率高于背景突變率(圖4a)。對泛癌數(shù)據(jù)特定HLA-I基因進行變異檢測發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，HLA-A和HLA-B被認(rèn)為是幾種癌癥的驅(qū)動因素，包括轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌、NSCLC、DLBCL等(圖4e)。
HLA-I基因小片段體細(xì)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(zhuǎn)移癌癥中被檢出(圖4f)。這種均勻分布與先前的觀察結(jié)果一致，也符合以失活變異為主的抑癌基因的預(yù)期分布。
在HLA-I基因雜合子個體中，如果發(fā)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(yīng)LOH發(fā)生率為背景突變率，找出HLA-I LOH發(fā)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(guān)性，但在幾種轉(zhuǎn)移和原發(fā)癌癥數(shù)據(jù)集中，HLA-I LOH發(fā)生率高于預(yù)期(G-檢驗，擬合優(yōu)度Q值<0.1)。其中Panet和KICH富集nonfocal HLA-I LOH，轉(zhuǎn)移性宮頸癌、轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌或原發(fā)DLBCL，富集focal HLA-I LOH或highly focal HLA-I LOH（圖4h-i）。另外在33例發(fā)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(shù)的20%)）中，同時發(fā)生LOH丟失可選的等位基因，可能導(dǎo)致整個HLA-I基因失活。
分析結(jié)果中沒有發(fā)現(xiàn)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(dá)最少量的HLA-I分子以逃避免疫系統(tǒng)報警。
圖4.HLA-I的陽性選擇
focal 與nonfocal HLA-I LOH發(fā)生的特定區(qū)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(yù)測新抗原表位數(shù)量之比發(fā)現(xiàn)(圖5a)，等位基因新表位比率和具有最多新表位位點發(fā)生LOH頻率在轉(zhuǎn)移和原發(fā)腫瘤中呈正相關(guān)（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(guān)聯(lián)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(fù)發(fā)率可能與6號染色體上的其他選擇力量有關(guān)。
圖5.HLA-I LOH和新抗原表位負(fù)荷
大多數(shù)HLA-I LOH的拷貝數(shù)是中性的(轉(zhuǎn)移性腫瘤和原發(fā)性腫瘤分別為81%和70%)，比nonfocal HLA-I LOH(轉(zhuǎn)移性腫瘤和原發(fā)性腫瘤分別為65%和35%)要高得多，說明HLA-I LOH主要驅(qū)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(qū)動機制是拷貝數(shù)增加，16個基因的無義突變、可變剪切變異和截斷變異對應(yīng)的dN:dS>1(圖6a)，說明在腫瘤發(fā)生過程中被正向選擇。對特定基因和癌癥類型的細(xì)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(fù)模式（圖6b-d）。此外，包括JAK1、JAK2和IRF2在內(nèi)的IFN-γ途徑基因的局部雙等位基因缺失頻率也高于預(yù)期。CD58在DLBCL和泛癌原發(fā)隊列中的非同義突變和純合缺失的數(shù)量也高于預(yù)期。染色質(zhì)修飾物SETDB1在多種癌癥類型中反復(fù)局部擴增，包括轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌和原發(fā)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(guān)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(qū)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(huán)境特征，如免疫浸潤特征、突變生物學(xué)過程特征、新抗原負(fù)荷、突變負(fù)荷等與GIE事件發(fā)生（排除nonfocal HLA-I LOH）的相關(guān)性(圖7a)。為了控制可能繼發(fā)于突變和CNV背景率增加導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)，過濾掉在GIE模擬中發(fā)現(xiàn)的重要關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，35個基因組特征和5個驅(qū)動基因在至少一種癌癥類型中顯示出與GIE的統(tǒng)計學(xué)顯著關(guān)聯(lián)(圖7a)。
即使在控制背景突變率后，TMB和新抗原表位負(fù)荷與DLBCL、胰腺癌和皮膚黑色素瘤的GIE事件密切相關(guān)。主克隆TMB和新抗原表位負(fù)荷顯示出與GIE強烈的正相關(guān)，而亞克隆TMB和新抗原表位負(fù)荷顯示出適度的相關(guān)性。在DLBCL和NSCLC中，融合衍生的新表位與GIE顯著相關(guān)(圖7b)。
暴露于某些內(nèi)源性和外源性突變過程與免疫原性增強和對ICIs的反應(yīng)相關(guān)，其中MMRd突變過程與GIE發(fā)生率增加廣泛相關(guān)。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(guān)（圖7d）。與幾種外源性突變過程相關(guān)的突變負(fù)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(fā)生率的增加顯著相關(guān)(圖7e)。
一些腫瘤基因組特征也發(fā)現(xiàn)跟GIE發(fā)生率增加有關(guān)，在結(jié)直腸癌(也包括一些肛門癌患者)中，HPV DNA整合與GIE發(fā)生率呈正相關(guān)，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(fā)生率顯著相關(guān)(圖7f-g)。
圖7.GIE相關(guān)癌癥基因組特征
除了本研究中考慮的GIE途徑之外，某些驅(qū)動因素的改變也顯示出與GIE事件的強烈關(guān)聯(lián)。在結(jié)直腸癌患者中，CASP8、KMT2D、RPL22和TGFBR2的改變往往與GIE同時發(fā)生。之前有文獻報道，CASP8和TGFBR2的改變與免疫監(jiān)視逃逸有關(guān)。
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(nèi)的以前的治療，都沒有達(dá)到與GIE顯著的關(guān)聯(lián)。
TMB與免疫逃逸機制
突變負(fù)荷的增加導(dǎo)致新表位的產(chǎn)生易被適應(yīng)性免疫系統(tǒng)識別為新抗原，在20個均勻分布的TMB區(qū)段中分析GIE改變頻率(不包括HLA-I nonfocal LOH)與TMB之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著TMB的增加，GIE發(fā)生率穩(wěn)定增加，觀測到的GIE頻率偏離了GIE模擬給出的預(yù)期頻率，這在超突變的腫瘤中尤其明顯，其GIE發(fā)生率比模擬高2-3倍（圖8a）?？紤]癌癥類型和突變克隆性后，這一趨勢仍然是一致的?；贖LA分型預(yù)測的新抗原表位負(fù)荷與GIE發(fā)生率一致均勻增加。
TMB：10-13，ICI反應(yīng)預(yù)測閾值下限，平均GIE發(fā)生率為0.3±0.03?s.d；TMB：26-36，對應(yīng)高突變腫瘤類型，平均GIE發(fā)生率為0.42±0.06s.d.； TMB：~95，超高突變腫瘤類型，GIE發(fā)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(guān)性，HLA-I基因座相關(guān)變異發(fā)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(shù)據(jù)集中的患病率較低。
圖8.TMB和免疫逃逸機制
總結(jié)
本文描述了來自58種癌癥類型的數(shù)千例統(tǒng)一處理的原發(fā)性和轉(zhuǎn)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(jié)果顯示，平均而言，四分之一的患者發(fā)生GIE事件，主要是由于HLA-I LOH。GIE的發(fā)生率和靶向途徑在不同的癌癥類型中表現(xiàn)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(fā)生，有效地避免了免疫監(jiān)視。在大多數(shù)癌癥類型中，轉(zhuǎn)移性患者的GIE改變發(fā)生率與原發(fā)性患者相當(dāng)，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(fā)生率高于預(yù)期。值得一提的是，隨著TMB的增加，GIE發(fā)生率也穩(wěn)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(yīng)最好的腫瘤也有最強的免疫逃逸能力。
