Cell：综合泛癌蛋白基因组学分析揭示跨越10种癌症类型的7种免疫亚型

近几十年来免疫疗法在癌症治疗中取得了成功，但只有不到10%-20%的癌症患者表现出免疫检查点阻断的持久反应。为了提高免疫治疗的疗效，抑制多种免疫逃避机制的联合治疗越来越受到关注。因此，深入了解肿瘤与免疫系统之间的相互作用，探索免疫反应的分子机制，对于提高免疫治疗的效果具有重要意义。

美国西奈山伊坎医学院Pei Wang和Francesca Petralia团队合作在Cell上发表了文章“Pan-cancer proteogenomics characterization of tumor immunity”。该研究使用临床蛋白质组肿瘤分析联合会（CPTAC）的泛癌蛋白质基因组数据集全面表征了来自10种癌症的1056个肿瘤样本的免疫图谱。基于对细胞类型组成和通路活性的综合分析，研究人员确定了7种不同的免疫亚型，并对与每种亚型相关的独特基因组、表观遗传学、转录组学和蛋白质组学变化进行了详细分类。进一步利用深度磷酸化蛋白质组学数据，研究人员分析了不同免疫亚型中的激酶活性，揭示了潜在的亚型特异性治疗靶点。该研究将有助于促进未来的免疫疗法策略开发，并增强现有药物的精确靶向性。

文章发表在Cell上

一、10种癌症的细胞类型组分

研究团队在CPTAC的蛋白基因组研究中，使用结合全基因组测序（WGS）、RNA-seq、定量蛋白质组学和磷酸蛋白质组学的蛋白基因组方法分析了来自10种癌症患者的1056个治疗初期样本，包裹乳腺癌症（BC）、透明细胞肾细胞癌（CCRCC）、结肠癌（CO）、胶质母细胞瘤（GBM）、头颈部鳞状癌（HNSCC）、肺鳞状癌（LSCC）、肺腺癌（LUAD）、胰腺导管腺癌（PDAC）和子宫癌（UCEC）（图1A）。

结果表明，不同癌症在肿瘤细胞百分比以及免疫细胞和基质细胞百分比方面表现出显著的异质性：CCRCC、LUAD和PDAC的免疫浸润率最高，CCCCC和PDAC也表现出更高的基质成分，UCEC显示出最高的肿瘤细胞百分比，但免疫和基质成分最低（图1B）。

为了深入了解这些肿瘤中不同免疫/基质细胞类型的浸润模式，研究团队使用近期开发的去卷积算法估计了肿瘤微环境（TME）中的细胞类型组成部分。不同肿瘤之间细胞类型组分的比较揭示了不同癌症之间广泛的细胞类型组成异质性（图1B）。此外，不同细胞类型的百分比与不同癌症的无进展生存期（PFS）相关，如CCRCC、LUAD、PDAC和UCEC（图1C和1D）。

图1.10种癌症的细胞类型组分

二、10种癌症的免疫亚型

研究团队还利用已发表数据中的427个免疫相关特征来表征CPTAC肿瘤的TME。首先，根据泛癌蛋白质组数据得出的单样本基因集富集分数，将它们分为10个不同的免疫模块，再推导出每个肿瘤样本的模块活性评分，将它们与细胞类型组分用于一致聚类，以检测具有不同TME的免疫亚型（图1A）。

研究通过以上方式确定了七个簇：CD8+/IFNG+、嗜酸性粒细胞/内皮、成纤维细胞/TGF-β、CCRCC/内皮、脑/神经、CD8−/IFNG+和CD8−/IFNG−（图1E和1F）。

（1）CD8+/IFNG+包含所有10种癌症的肿瘤，其特征是CD8+T细胞富集、干扰素活化和免疫相关途径，如T细胞受体信号传导（图1E、1F和2B）。

（2）嗜酸性粒细胞/内皮在PDAC、LUAD和LSCC肿瘤中富集，其特征是嗜酸性粒细胞的存在（图1E和1F）。

（3）成纤维细胞/TGF-β的特征是TGF-β、成纤维细胞的上调和细胞外基质相关途径的活化，如上皮间质转化（EMT）和粘着斑（图2B）。缺氧的活化与TGF-β可以影响TME，刺激细胞外基质成分的产生，这是EMT的特征（图2C）。

（4）CD8-/IFNG+代表了一种免疫亚型，其特征是CD8 T细胞和B细胞的免疫浸润较低，但干扰素γ信号的强烈激活。相比之下，CD8-/IFNG-的特征是所有免疫和基质细胞类型的比例最低（图2B）。根据蛋白质组学数据，PPARA激活的基因表达在CD8-/IFNG-中升高（图2C）。

（5）CCCC/内皮和脑/神经，代表癌症特异性亚型（图1E）。脑/神经亚型显示神经元富集，氧化磷酸化和丙酮酸代谢途径上调（图2C）。CCRCC/内皮细胞是CCRCC的主要免疫亚型。该亚型表现出肥大细胞和内皮细胞浸润水平显著升高，并伴有局灶性粘附途径的上调（图2B）。

此外，CD8-/IFNG-中女性的代表性低于男性（图2D）。东亚人比欧洲患者更富集CD8-/IFNG+（图2D）。吸烟者富集成纤维细胞/TGF-β（图2D）。在HNSCC中观察到从未吸烟者和曾经吸烟者之间相关途径（包括EMT和IFNG）的活性存在显著差异（图2E）。

为了探索免疫亚型与癌症治疗反应之间的关系，研究团队使用三期OAK临床试验的数据进行了分析，涉及425名接受免疫疗法治疗的非小细胞肺癌患者。通过基于CPTAC泛癌RNA-seq数据训练的免疫亚型预测模型，在344个患者样本中，CD8+/IFNG+免疫亚型的患者显示出明显更好的PFS（图2A），这支持了CD8+/IFNG+免疫治疗反应增强的观点。

蛋白基因组分析表明，每种癌症都有不同的免疫特征，这与现有文献报道的这些癌症中不同的免疫景观一致。另一方面，与单癌研究相比，全癌免疫亚型分析可以通过借用不同癌症的信息来识别新的免疫亚型。

图2.免疫亚型与治疗反应、通路活性和患者人口统计变量的关联

三、DNA突变对免疫亚型的影响

01 突变谱与免疫表型的关联

研究团队评估了470个频繁突变基因的突变谱与免疫表型之间的关联，包括细胞类型比例、免疫通路模块和免疫亚型，确定了其中102个基因，其突变与至少一种免疫表型显著相关（图3A和3B）。

值得注意的是，STK11突变与CD8-/IFNG+呈正相关，并下调其在LUAD中的RNA和蛋白质表达（图3A-3C），CD8-/IFNG+的STK11蛋白水平显著降低（图3D），表明STK11可能有助于减少激活干扰素γ信号的患者中的免疫浸润。

02 拷贝数变异与免疫表型的相关性

研究团队研究了各种免疫表型与基因水平拷贝数变异（CNV）之间的关联，发现Chr3p、4p、5p和9p富含这种关联。Chr3p包含最多的基因，其CNVs与CD8+T细胞和巨噬细胞浸润显著相关（图3E）。9p21包含CDKN2A/B和MTAP等基因，其中CNVs与伤口愈合增殖模块显著相关（图3F），9p21中CDKN2A/B、MTAP和其他基因的缺失可能导致TME中的免疫抑制。

03 胚系DNA突变对肿瘤微环境的影响

研究团队使用基因表达（eQTL）和蛋白质表达（pQTL）以及WGS数据进行了定量性状位点（QTL）分析，并揭示了显著的QTL调节基因（eGenes）和/或蛋白质（pProteins）。在eGenes和pProteins中富集的基因集包括多种免疫途径，如补体和凝血级联、中性粒细胞脱颗粒和细胞对化学应激的反应（图3G）。

图3.免疫亚型与DNA改变的关系

04 DNA甲基化与免疫亚型的关系

基于基因水平DNA甲基化（DNAm）数据，研究团队鉴定了一组基因，这些基因在其DNAm和免疫亚型之间显示出泛癌关联（图4A）或癌症特异性关联（图4B）。对于大量基因，其DNA甲基化与HNSCC中的CD8−/IFNG−相关。值得注意的是，与RNA/蛋白质表达和免疫亚型之间的关联相比，DNAm和免疫亚类型之间的关联在很大程度上是相反的，因为基因水平的DNAm通常会导致基因和蛋白质表达的下调。

图4.免疫亚型与DNA甲基化的关系

05 不同免疫亚型中的激酶活化

为了描述激酶的活性，研究人员利用激酶库和KEA3进行了分析（图5），发现CD8+/IFNG+中磷酸化位点上调的底物明显富集了MAPKAPKs、IKKβ和TBK1调节的底物，该组激酶在包括GBM、LSCC和PDAC在内的多种癌症的CD8+/IFNG+肿瘤中持续激活（图5A）。该研究基于生物化学的方法独立鉴定了TBK1的许多潜在下游靶点，这些靶点在高度免疫原性肿瘤中上调的磷酸化位点中富集。

基于激酶文库，研究还发现包括CDK1和CDK2在内的细胞周期蛋白依赖性激酶在CD8-/IFNG-和CD8-/IFNG+中活化（图5A），表明这些肿瘤中更高比例的细胞正在积极增殖。

图5.免疫亚型与激酶活性的关系

06 免疫亚型相关激酶和转录因子调控

研究团队通过在CPTAC泛癌RNA-seq数据上应用ChEA3获得每个肿瘤样本的转录因子（TF）活性评分，并将这些TF评分与激酶活性评分相关联，以检测不同免疫亚型中的活性细胞信号调节。针对CD8+/IFNG+（热）和CD8-/IFNG-（冷），统计一对激酶和TF均被鉴定为富集的肿瘤数量（图6A）。包括STAT1、STAT5A和CEBPB在内的一组免疫相关TF被鉴定为受以特异性酪氨酸激酶为特征的免疫模块（即LYN和SYK）的正调控，同时受糖酵解激酶模块的MYO3B和PDK1/3/4的负调控（图6A）。

此外，研究验证了糖酵解激酶模块与免疫TF模块之间的负关联（图6A），发现敲除PDK1/3/4和MYO3B会在多种细胞环境中诱导先天免疫系统相关基因的表达（图6B），表明PDK1/3/4和MYO3B对CEBPB活性产生抑制作用。

图6.激酶TF调节与细胞类型特异性激酶激活

该项研究分析了10种癌症中1000多个肿瘤样本的蛋白质组学特征以及匹配的基因组、表观基因组和转录组特征，以全面表征这些肿瘤的免疫景观，并利用组织病理学、数字病理学和患者临床注释进行了补充。研究团队根据转录组学和蛋白质组学数据推断出所有肿瘤样本的细胞类型组成，进一步将估计的细胞类型组成与基于蛋白质的免疫途径活性相结合，确定了多种不同的泛癌免疫亚型。研究人员还利用CPTAC泛癌磷酸蛋白质组学系统地表征了与肿瘤中各种免疫逃避反应相关的激酶活性。此外，进一步的细胞类型特异性分析，发现在高度免疫原性和低度免疫原性肿瘤之间的肿瘤细胞中具有不同活性的激酶亚群。

在多种癌症中发现有限数量的共同免疫亚型暗示了共同的适应和逃避免疫破坏的泛癌机制，与具体诊断无关。这表明有可能通过制定统一的策略来对抗各种癌症的免疫治疗耐药性，并确定预测性生物标志物。

论文原文：

Petralia F, Ma W, Yaron TM, et al. Pan-cancer proteogenomics characterization of tumor immunity. Cell. 2024;187(5):1255-1277.e27. doi:10.1016/j.cell.2024.01.027

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00064-3