俞華林,許映華*,王明偉,李曙光,張雯雯,楊勁松,李偉
肺癌是世界范圍內(nèi)最常見的一種原發(fā)性惡性腫瘤,也是死亡率最高的癌種[1]。小細(xì)胞肺癌(small cell lung cancer,SCLC)和非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)是其主要的病理類型,而肺腺癌(lung adenocarcinoma,LUAD)是NSCLC中最常見的類型。近年來,免疫治療可以有效地提高LUAD患者的生存時間[2]。免疫療法通過控制腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment,TME)內(nèi)外的免疫細(xì)胞來識別和殺死癌細(xì)胞[3]。然而,現(xiàn)有的免疫療法仍存在一定的局限性(如敏感度低和特異度不高等),有效率僅在25%左右,亟需探尋更多的新靶點(diǎn)。
跨膜蛋白9超家族(TM9SF)的結(jié)構(gòu)是由一個大的N端胞外結(jié)構(gòu)域和9個假定的跨膜結(jié)構(gòu)域組成,該家族蛋白在進(jìn)化上非常保守[4],在哺乳動物中有四個成員(TM9SF1-TM9SF4)[5]。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)TM9SF在免疫細(xì)胞的黏附和吞噬調(diào)控中起重要作用[6]。例如,TM9SF3蛋白能夠促進(jìn)T細(xì)胞性白血病細(xì)胞增殖和侵襲[7]。然而,TM9SF3在肺腺癌患者中的表達(dá)情況及其對免疫微環(huán)境的影響目前尚未見報道。因此,本研究通過納入癌癥基因組圖譜(The Cancer Genome Atlas,TCGA)中肺癌患者臨床數(shù)據(jù)和測序數(shù)據(jù),分析TM9SF的表達(dá)及其預(yù)后價值。經(jīng)多個數(shù)據(jù)庫分析,進(jìn)一步確定TM9SF3的表達(dá)對免疫微環(huán)境的影響,旨在發(fā)現(xiàn)肺腺癌新的預(yù)后生物標(biāo)志物,為患者的免疫治療提供更多的選擇靶點(diǎn)。
收集南通大學(xué)附屬南通第三醫(yī)院2021年6月—2021年11月經(jīng)病理確診的肺腺癌患者組織9例(肺癌組),所有患者均為初次診斷,其中男5例、女4例,年齡45~81歲。同時收集距離癌組織5 cm以上的正常肺組織6例作為正常對照組(NT組)。納入標(biāo)準(zhǔn):(1)已通過組織病理學(xué)確診為LUAD的患者;(2)患者在就診前未接受任何與肺癌相關(guān)的手術(shù)治療、放射治療或化學(xué)治療等其他手段的綜合治療;(3)患者年齡≥18歲。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)患者合并有系統(tǒng)的惡性腫瘤;(2)患者既往已經(jīng)進(jìn)行過相關(guān)抗腫瘤治療;(3)臨床資料不完整;(4)患者基礎(chǔ)狀況差。其中,6例患者的樣本用于提取RNA做qRT-PCR實(shí)驗(yàn),3例患者的樣本用于提取蛋白做免疫印跡實(shí)驗(yàn)。本研究遵循《赫爾辛基宣言》原則,并經(jīng)過了南通大學(xué)附屬南通第三醫(yī)院倫理委員會的審閱和批準(zhǔn),所有參與者均簽署書面知情同意書。
收集來自TCGA數(shù)據(jù)庫中497例LUAD患者和54例癌旁對照組織樣本的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù),對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理去除丟失和重復(fù)的結(jié)果,排除年齡、性別、總生存(OS)時間、TNM分期和遠(yuǎn)處淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)缺失或不足的樣本。GEPIA數(shù)據(jù)庫(http://GEPIA.cancerpku.cn/index)整合了來自TCGA和GTEx的33種惡性腫瘤9 736例腫瘤樣本和8 587例正常樣本中的RNA測序表達(dá)數(shù)據(jù)[8],用于分析TM9SF3表達(dá)與LUAD患者的臨床病理特征之間的相關(guān)性。人類蛋白質(zhì)圖譜數(shù)據(jù)庫(HPA)(www.proteinatlas.org)匯總?cè)梭w組織中免疫組織化學(xué)圖譜,用于分析LUAD患者正常肺組織和癌組織中TM9SF3的表達(dá)和分布情況[9],及其對LUAD患者預(yù)后的影響。
兔抗人TM9SF3抗體購自美國Abcam公司,兔來源內(nèi)參一抗抗體GAPDH和辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)記的山羊抗兔IgG抗體購自中國愛博泰克公司,ECL超敏化學(xué)發(fā)光液購自中國諾唯贊公司。TRIzol試劑和反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自美國賽默飛公司,SYBN Green Master Mix購自美國ABI公司,引物設(shè)計由中國銳博公司進(jìn)行設(shè)計。
在從TCGA數(shù)據(jù)庫中獲得的TM9SF3低表達(dá)和高表達(dá)相關(guān)基因的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行基因集合富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA),分析從TCGA數(shù)據(jù)庫中獲得的歸一化RNA測序數(shù)據(jù)。首先,GSEA是針對兩組樣本中測序的所有基因進(jìn)行富集分析,在其輸入的基因表達(dá)矩陣中,樣本被分成A和B兩組,通過對所有基因排序來表示基因在兩組間表達(dá)量的變化趨勢。我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化富集評分(normalized enrichment score,NES)選擇最豐富的信號通路,并分別以GO富集KEGG通路的形式進(jìn)行展示,以探索TM9SF3的潛在生物學(xué)功能。
使用TIMER數(shù)據(jù)庫中的生存模塊探索LUAD生存結(jié)果與免疫細(xì)胞表達(dá)量之間的關(guān)系。此外,采用體細(xì)胞拷貝數(shù)變化(somatic copy number alteration,SCNA)模塊研究TM9SF3細(xì)胞SCNA與6種免疫細(xì)胞表達(dá)的相關(guān)性。同時,通過CIBERSORT算法和TIMER數(shù)據(jù)庫進(jìn)行免疫浸潤分析,展示LUAD中免疫微環(huán)境的標(biāo)志物表達(dá)變化,計算LUAD樣本中22種免疫細(xì)胞的表達(dá)變化。通過R軟件vioplot軟件包顯示22個高、低TM9SF3樣本中免疫細(xì)胞的比例差異。
將收集的3例患者組織樣本置于冰上,PBS清洗后,加入200 μl蛋白裂解液(CM/RIPA比值為1/100)置冰上研磨;提取蛋白上清液后,采用BCA試劑盒檢測蛋白上樣量;凝膠電泳(80 V轉(zhuǎn)120 V)分離蛋白;濕轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)膜(250 mA,2 h),隨后將PVDF膜用封閉液室溫封閉2 h;根據(jù)抗體說明書配置一抗稀釋液(TM9SF3,1:1 000;GAPDH,1:6 000),并置于4℃冰箱進(jìn)行孵育過夜。次日,用TBST緩沖液漂洗后,加入辣根過氧化物酶標(biāo)記的山羊抗兔(二抗,1:10 000),室溫孵育2 h 。最后加入顯影劑進(jìn)行曝光顯影。以GAPDH為內(nèi)參計算目的蛋白表達(dá)的灰度值。
根據(jù)TRIzol試劑盒的步驟提取6例患者組織的總RNA。qRT-PCR反應(yīng)體系為10 μl(包括5 μl SYBR Green Master Mix,1 μl引物,1 μl cDNA和3 μl的無RNA酶水),反應(yīng)條件:UDG酶50℃培養(yǎng)120 s;95℃預(yù)變性120 s;95℃變性15 s,40個循環(huán);60℃退火15 s;72℃延伸60 s。同時,以GAPDH作為內(nèi)參,比較各組中mRNA和相應(yīng)內(nèi)參的Ct值,用2-△△Ct分析表達(dá)情況,實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。TM9SF3引物:上游引物為5’-TGCCAGCCACTTACTGTGAAA-3’,下游引物為5’-GCCTCACCAACAATACCCCATA-3’。GAPDH引物:上游引物為5’-TGAAGGTCGGAGTCAACGGATTTGGT-3’,下游引物為5’-CATGTGGGCCATGAGGTCCACCAC-3’。
使用R(v.3.6.2)的“生存”包處理從TCGALUAD下載的生存信息,并通過Kolmogorov Smirnov檢驗(yàn)評估臨床病理特征與TM9SF家族分子表達(dá)之間的關(guān)系。通過使用未配對的Student’st檢驗(yàn)比較LUAD患者癌組織和癌旁樣品中的TM9SF3表達(dá)。根據(jù)TM9SF3基因mRNA表達(dá)中位數(shù)將LUAD患者分為高表達(dá)組和低表達(dá)組。采用Kaplan Meier法分析TM9SF3表達(dá)與臨床預(yù)后之間的相關(guān)性。Cox回歸模型Log rank檢驗(yàn)檢驗(yàn)TM9SF3高表達(dá)組和低表達(dá)組LUAD患者的OS是否存在差異,并計算風(fēng)險比(hazard ratio,HR)。P<0.05(雙側(cè))為差異有統(tǒng)計學(xué)意義,檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。上述數(shù)據(jù)資料符合正態(tài)分布(Shapiro-Wilk檢驗(yàn)P≥0.05),且方差齊性(Levene’s檢驗(yàn)P≥0.05)數(shù)據(jù),多組數(shù)據(jù)比較采用單因素方差分析,兩組數(shù)據(jù)比較采用兩樣本t檢驗(yàn)。
結(jié)果顯示,與NT組相比TM9SF3在LUAD中表達(dá)升高,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見圖1B。Kaplan-Meier Plotter分析發(fā)現(xiàn),TM9SF3高表達(dá)的患者總生存率顯著低于低表達(dá)患者(P=0.003),見圖1C。上述結(jié)果表明,高表達(dá)的TM9SF3導(dǎo)致LUAD患者的預(yù)后更差。當(dāng)TM9SF3表達(dá)增多時,LUAD患者的HR值變高,表明高表達(dá)的TM9SF3是肺腺癌患者的獨(dú)立危險因素,起促癌的作用;同時,腫瘤的臨床分期也具有較高的危險因素,見圖1A。LUAD患者邏輯回歸分析證實(shí),腫瘤分期越高,患者風(fēng)險越高(表格略,請掃描本文OSID二維碼)。
此外,我們發(fā)現(xiàn)TM9SF3 在肝細(xì)胞癌(LIHC)、胃腺癌(STAD)、肺腺癌和膽管癌(CHOL)中呈現(xiàn)高表達(dá);而在乳腺癌(BRCA)、腎嫌色細(xì)胞(KICH)、腎透明細(xì)胞癌(KIRC)、腎乳頭狀細(xì)胞癌(KIRP)、甲狀腺癌(THCA)和子宮內(nèi)膜癌(UCEC)中呈低表達(dá)的趨勢,見圖1D。
結(jié)果顯示,在年齡<60歲、女性、臨床分期Ⅰ+Ⅱ和T分期早的患者中,TM9SF3的表達(dá)明顯偏低(P<0.05);而在有無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(N0~N3)和有無遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移(M0和M1)的LUAD患者分組中,TM9SF3的表達(dá)在兩組中差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.291,P=0.213)。隨著LUAD患者臨床病理分期的增加,TM9SF3基因顯著上調(diào)(P=0.0471)。TM9SF3高表達(dá)的患者總體生存率低,相對風(fēng)險度也較高,差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.0064,P=0.0034)(圖片請掃描本文OSID碼)。
LUAD患者TM9SF3的蛋白和mRNA水平表達(dá)在腫瘤組織中明顯增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=9.90E-09),見圖2A~B;此外,患者的年齡和性別差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.488,P=0.638)。LUAD組織樣本中TM9SF3蛋白免疫組織化學(xué)染色較深,表明TM9SF3的蛋白表達(dá)在LUAD樣本中較高,見圖2C。
GSEA分析顯示,GO注釋揭示了與TM9SF3的表達(dá)呈正相關(guān)的5個主要的蛋白生物學(xué)功能:T細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性、巨噬細(xì)胞遷移、巨噬細(xì)胞趨化作用、白三烯生物合成過程、抗原刺激引起的急性炎性反應(yīng)。此外,還發(fā)現(xiàn)了5個負(fù)相關(guān)的主要的蛋白生物學(xué)功能:磷脂酰肌醇結(jié)合、蛋白質(zhì)靶向液泡、調(diào)節(jié)細(xì)胞極性的建立或維持、靶向囊泡、蛋白質(zhì)脫甘露糖基化。KEGG通路富集分析顯示與TM9SF3表達(dá)正相關(guān)最強(qiáng)的5條信號通路:氧化磷酸化、產(chǎn)生IGA的腸道免疫網(wǎng)絡(luò)、自身免疫性甲狀腺疾病、造血、抗原加工和呈遞。負(fù)相關(guān)最強(qiáng)的5個通路是:黏附連接、WNT信號通路、TGFβ信號通路、泛素介導(dǎo)的蛋白水解、磷酸肌醇代謝(圖片請掃描本文OSID碼)。上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)TM9SF3表達(dá)的變化能夠參與調(diào)控免疫細(xì)胞相關(guān)的信號通路。
為了明確TM9SF3是否與細(xì)胞內(nèi)部的免疫相關(guān)的信號通路有關(guān)聯(lián),本研究利用TIMER數(shù)據(jù)庫驗(yàn)證TM9SF3與LUAD患者B細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的表達(dá)具有相關(guān)性,見圖3A;同時,B細(xì)胞和DC細(xì)胞免疫浸潤的比例變化會影響LUAD患者的預(yù)后,提示TM9SF3調(diào)控的免疫過程可能影響LUAD患者的預(yù)后,見圖3B。此外,TM9SF3的拷貝數(shù)變異與B細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞和DC免疫細(xì)胞浸潤之間的關(guān)聯(lián)主要由臂級增益(arm-level gain)來驅(qū)動,也顯示出TM9SF3對LUAD免疫微環(huán)境的影響,見圖3C。以上表明TM9SF3通過調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞浸潤比例的變化影響LUAD患者的預(yù)后。
除此之外,我們還對下載的LUAD患者數(shù)據(jù)中TM9SF3高/低表達(dá)后的22種免疫細(xì)胞的表達(dá)豐度進(jìn)行展示,結(jié)果顯示,當(dāng)TM9SF3表達(dá)增加時,會導(dǎo)致CD8+T細(xì)胞(P=0.004)和CD4記憶激活T細(xì)胞(P=0.012)相關(guān)標(biāo)志物的表達(dá)升高;而在TM9SF3低表達(dá)組中,漿細(xì)胞(P<0.019)、CD4記憶靜息T細(xì)胞(P=0.029)和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs)(P=0.024)的比例更高,見圖3D。我們還利用TIMER中的“共表達(dá)”模塊分析揭示了TM9SF3的表達(dá)改變對免疫細(xì)胞表面標(biāo)志物的表達(dá)影響(表格略,請掃描本文OSID二維碼)。
圖3 差異表達(dá)的TM9SF3與免疫細(xì)胞浸潤的相關(guān)性分析Figure 3 Correlation analysis between differentially-expressed TM9SF3 and immune cells in LUAD tissues
綜上所述,TM9SF3不僅能夠影響B(tài)細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞和T細(xì)胞等免疫細(xì)胞的浸潤水平,而且與各種免疫細(xì)胞表面標(biāo)志物表達(dá)之間的相關(guān)性都表明TM9SF3作為免疫治療的新靶點(diǎn)的潛力和價值。
近年來,免疫治療使肺癌的治療進(jìn)入了全新的時代,為肺癌患者迎來了曙光。研究顯示,隨著免疫檢查點(diǎn)抑制劑(immune checkpoint inhibitors,ICIs)的廣泛應(yīng)用,ICIs聯(lián)合化療給手術(shù)切除的早期非小細(xì)胞肺癌患者增加了更多痊愈的機(jī)會[10-11];對于晚期NSCLC患者,免疫治療也能將其5年總體生存率由5%提升至15.5%~23.2%,特別對于程序性死亡受體配體1(programmed cell death ligand 1,PD-L1)高表達(dá)的晚期NSCLC患者,多項(xiàng)臨床試驗(yàn)研究顯示,ICIs單藥療效明顯效優(yōu)于單純化療[12-16]。與此同時,發(fā)現(xiàn)在采取免疫治療為一線治療方案的患者中,7%~27%的患者出現(xiàn)原發(fā)耐藥,以及約25%的患者會出現(xiàn)繼發(fā)性耐藥現(xiàn)象[17-18]。所以,耐藥成為當(dāng)下免疫治療持續(xù)發(fā)展的一大難關(guān)。目前,針對耐藥主要考慮兩個因素:首先,體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)制復(fù)雜;其次,預(yù)測發(fā)生率的生物標(biāo)志物研究不足。所以,明確耐藥機(jī)制、篩選更多的生物學(xué)標(biāo)志物是當(dāng)前精準(zhǔn)醫(yī)療時代背景下亟待解決的問題。本研究主要探究TM9SF3在肺腺癌中的表達(dá)和預(yù)后意義,同時探討了TM9SF3對免疫浸潤的影響。
本研究首先利用TCGA數(shù)據(jù)庫,發(fā)現(xiàn)TM9SF3的表達(dá)在LUAD中顯著升高。隨后將該家族分子的表達(dá)與肺癌患者進(jìn)行生存分析研究,結(jié)果表明TM9SF3分子在肺腺癌患者中低表達(dá)時,患者生存率明顯提高。為了進(jìn)一步探究和佐證TM9SF家族分子與肺腺癌預(yù)后和臨床病理特征之間的關(guān)系,我們采用多因素Cox回歸分析和邏輯回歸分析,發(fā)現(xiàn)只有TM9SF3與LUAD的預(yù)后臨床指標(biāo)顯著相關(guān)。上述結(jié)果初步證明TM9SF3是一種新的促癌基因。我們也從TCGA數(shù)據(jù)庫中篩選了TM9SF3在泛癌中的表達(dá),發(fā)現(xiàn)TM9SF3在多種癌癥患者樣本中高表達(dá),其中包括肝細(xì)胞癌、LUAD胃腺癌和膽管癌。此外,我們也利用公認(rèn)的GEPIA腫瘤數(shù)據(jù)庫驗(yàn)證了TM9SF3的表達(dá)高低不僅與LUAD患者的總生存期差異有關(guān),還與患者的年齡、性別、分化程度和腫瘤分期相關(guān),并且在臨床LUAD患者樣本和人類蛋白組學(xué)圖譜中驗(yàn)證了TM9SF3在肺腺癌組織中的高表達(dá)。目前,有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)TM9SF3不僅在胃癌組織中上調(diào),而且與胃癌患者的預(yù)后不良顯著相關(guān)[19];也有研究證實(shí)TM9SF3與乳腺癌中的紫杉醇耐藥有關(guān)[20]。而在T細(xì)胞白血病中,有學(xué)者通過一系列研究證實(shí),表達(dá)上調(diào)的TM9SF3能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和侵襲能力[7]。最新研究顯示,TM9SF3的下調(diào)能夠明顯抑制三陰性乳腺癌相關(guān)細(xì)胞和巖藻糖苷酶αL1所誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖和遷移能力[21]。上述研究表明,TM9SF3在癌癥發(fā)生中發(fā)揮重要作用,然而,其在調(diào)控肺腺癌發(fā)生中的功能機(jī)制仍是未知領(lǐng)域。
本研究通過GSEA分析發(fā)現(xiàn)免疫相關(guān)通路與TM9SF3表達(dá)的相關(guān)性最強(qiáng),其中包括TM9SF3與T細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性、巨噬細(xì)胞遷移、巨噬細(xì)胞趨化性和抗原加工呈遞作用顯著正相關(guān)。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境中的主要參與者[22]。研究人員發(fā)現(xiàn)了M2型腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的募集最終促進(jìn)NSCLC生長[23]。說明TM9SF3與免疫細(xì)胞的調(diào)控以及與肺癌發(fā)生發(fā)展相關(guān)的通路有關(guān),揭示其在腫瘤免疫治療中的潛在研究價值。
利用TIMER數(shù)據(jù)庫,本研究探索了TM9SF3對免疫微環(huán)境的影響,分析發(fā)現(xiàn)TM9SF3的表達(dá)增高與LUAD患者體內(nèi)的6種免疫效應(yīng)細(xì)胞的標(biāo)志物異常低表達(dá)顯著相關(guān),同時免疫效應(yīng)細(xì)胞(如B細(xì)胞和DC細(xì)胞)表達(dá)的增加和TM9SF3表達(dá)的降低,會增加肺腺癌患者的生存時間。有研究發(fā)現(xiàn),在對LUAD患者進(jìn)行免疫治療時,應(yīng)考慮腫瘤微環(huán)境中的驅(qū)動突變與B細(xì)胞反應(yīng)之間的聯(lián)系[24]。B細(xì)胞是目前研究中唯一有爭議的免疫細(xì)胞類型。一方面,它們可以產(chǎn)生與CTL活性相協(xié)調(diào)的細(xì)胞因子,并充當(dāng)有效的抗原呈遞細(xì)胞(APC),但另一方面,它們可能通過產(chǎn)生細(xì)胞因子來招募髓源性抑制細(xì)胞而促進(jìn)腫瘤發(fā)生[25-26]。有研究表明,腫瘤內(nèi)B細(xì)胞的主要作用模式包括將B細(xì)胞受體(BCR)同源抗原呈遞給CD4+和潛在的CD8+T細(xì)胞[27]。樹突狀細(xì)胞屬于腫瘤拮抗免疫細(xì)胞的一種,功能主要是作為特化APC[28]。這也可以解釋為什么抗原加工呈遞通路存在于TM9SF3富集KEGG途徑中。此外,我們發(fā)現(xiàn)LUAD中TM9SF3的不同突變形式與B細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞和DC的免疫浸潤有關(guān)。最后,本研究在表達(dá)不同的TM9SF3患者樣本中,探討22種免疫細(xì)胞的表達(dá)變化,與TM9SF3表達(dá)變化顯著相關(guān)的免疫細(xì)胞有漿細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、CD4+記憶活化T細(xì)胞、CD4記憶靜息T細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞。上述結(jié)果表明,TM9SF3分子能夠通過影響LUAD中的免疫細(xì)胞的表達(dá)參與調(diào)節(jié)肺腺癌患者的免疫微環(huán)境。
總之,我們證明了TM9SF3在LUAD樣本中上調(diào),其過表達(dá)與LUAD患者的不良臨床病理特征和不良預(yù)后高度相關(guān)。此外,TM9SF3被初步篩選作為LUAD預(yù)后分析中的獨(dú)立預(yù)后因素;同時,TM9SF3可能通過影響LUAD的免疫微環(huán)境,參與調(diào)節(jié)LUAD的發(fā)生發(fā)展。TM9SF3有望成為LUAD新的預(yù)后指標(biāo)和免疫治療靶點(diǎn)。