掃碼聯系客服
今天和大家一起來看一篇在33種腫瘤中的綜合生物信息學分析人白細胞抗原（HLA）與免疫亞型、致癌通路及免疫治療反應關系的文章“Pan-cancer HLA Gene-mediated Tumor Immunogenicity and Immune Evasion”，發表在《Mol Cancer Res》，2022年影響因子6.333分。(文末附TCGA35個腫瘤項目全稱及縮寫)
研究背景
人白細胞抗原（human leukocyte antigen, HLA）表達通過與T細胞受體的相互作用有助于抗腫瘤免疫的激活。
HLA化學本質為一類糖蛋白，由一條α重鏈（被糖基化的）和一條β輕鏈非共價結合而成。其肽鏈的氨基端向外（約占整個分子的3/4），羧基端穿入細胞質，中間疏水部分在胞膜中。HLA按其分布和功能分為Ⅰ類抗原和Ⅱ類抗原。
HLA Ⅰ類抗原分布于所有有核細胞。這些抗原可被外來物質例如某種病毒或化學物質加以改變，當這些基因產物被改變之后，便成為自身免疫原，成為免疫排除的靶子。
HLA-Ⅱ類抗原主要表達于B細胞、巨噬細胞等抗原提呈細胞和活化T細胞表面， 識別和提呈外源性抗多肽，與輔助受體CD4結合，對Th的識別起限制作用，參與抗原提呈，啟動免疫應答。
結果展示
HLA genes Are Differentially Expressed in Most TCGA Tumor Types, with the Expression of Class I Genes Higher than Class II.
HLA基因在大多數TCGA腫瘤類型中存在差異表達，I類表達高于II類。
作者首先分析了33種TCGA腫瘤類型中HLA I類、II類基因以及與MHC I重鏈相關的β -2微球蛋白(B2M) 的表達水平。如研究背景介紹，雖然HLA I類基因在有核細胞普遍表達，但HLA II類基因的表達僅限于抗原提呈細胞(Antigen-presenting cells, APCs)。在這篇文章中，作者發現B2M和HLA I類基因的表達水平高于II類基因(圖1A)。與既往文獻報道的一致，HLA-G和HLA-DO 存在組織限制性表達，作者觀察到I類HLA-G和II類HLA-DO (HLA-DOA, HLA-DOB)表達最低。接下來，作者評估了腫瘤和正常樣本間HLA I和II基因的表達差異。
在多形成性膠質細胞瘤( Glioblastoma, GBM), 食管癌 (Esophageal Cancer, ESCA), 乳腺浸潤癌 (Breast Cancer, BRCA), 肝癌( Liver Cancer, LIHC), 腎嫌色細胞癌( Kidney Chromophobe, KICH), 膽管癌(Bile Duct Cancer, CHOL), 甲狀腺癌( Thyroid Cancer , THCA), 腎乳頭狀細胞癌( Kidney Papillary Cell Carcinoma, KIRP), 頭頸癌( Head and Neck Cancer, HNSC), 腎透明細胞癌( Kidney Clear Cell Carcinoma, KIRC)10種腫瘤類型HLA I類表達顯著上調，在肺腺癌 ( Lung Adenocarcinoma, LUAD), 結腸癌 ( Colon Cancer, COAD), 肺鱗狀細胞癌 ( Lung Squamous Cell Carcinoma, LUSC)3種腫瘤I類表達下調。
在腎透明細胞癌( Kidney Clear Cell Carcinoma, KIRC)，腎乳頭狀細胞癌( Kidney Papillary Cell Carcinoma, KIRP)，甲狀腺癌( Thyroid Cancer, THCA)，多形成性膠質細胞瘤( Glioblastoma, GBM)，膽管癌(Bile Duct Cancer, CHOL)，乳腺浸潤癌 (Breast Cancer, BRCA) 6種腫瘤II類表達上調，在肺腺癌 ( Lung Adenocarcinoma, LUAD)， 胰腺癌 ( Pancreatic Cancer, PAAD)， 肺鱗狀細胞癌 ( Lung Squamous Cell Carcinoma, LUSC)， 腎嫌色細胞癌( Kidney Chromophobe, KICH)，結腸癌 ( Colon Cancer, COAD)， 直腸癌( Rectal Cancer, READ) 6種腫瘤II類表達下調(圖1B-C)。其中，KIRC對HLA I類和II類基因表達上調最多，而LUSC對HLA基因表達下調最多。HLA基因差異表達的差異性可能與來源組織有關，反映了腫瘤特異性調控HLA基因表達機制的差異。
作者還比較了相同組織類型TCGA腫瘤與GTEx正常標本HLA I類和II類的表達情況。許多TCGA腫瘤樣本HLA I類基因表達下調，其中LUSC和LUAD明顯低表達。大多數TCGA腫瘤組織的HLA II類基因表達明顯高于GTEx正常樣本。作者推測這一結果可能由于GTEx正常樣本來自健康供體，而TCGA腫瘤及腫瘤旁正常組織可能處于免疫抑制的微環境中，導致HLA I類基因的表達下調。
既往研究發現，HLA II類基因主要由APCs表達，在健康個體中APCs聚集在淋巴結和脾臟中。在感染或慢性炎癥時，APCs被招募到炎癥部位，并在周圍形成三級淋巴器官(TLOs)，進行局部抗原呈遞和T細胞活化。因此，GTEx健康組織中APCs的含量可能比炎癥腫瘤中APCs的含量更少，導致HLA II類基因總體表達降低。
HLA Class I and Class II Gene Expression Correlate with Tumor Immune Characteristics and Predict Cytolytic Activity.
HLA I類和II類基因表達與腫瘤免疫特性相關并可以預測細胞溶解活性
作者接下來評估了HLA基因表達是否與腫瘤的免疫特征相關，包括免疫浸潤、促炎基因特征和免疫檢查點特征。HLA I類和II類基因的表達均與抗腫瘤免疫特征有很強的相關性(圖2A)。
HLA I類和II類基因與促炎基因表達呈正相關，與免疫檢查點呈正相關。有趣的是，HLA基因表達與這些免疫特性的相關性強于TMB或腫瘤新抗原，后者通常用于預測免疫原性和治療反應。此外，雖然TMB和腫瘤新抗原與細胞溶解活性(CYT)呈弱相關，但HLA基因表達與CYT之間的正相關更強(Spearman correlation, TMB: R=0.21; neoantigens: R=0.24; HLA I: R=0.62; HLA II: R=0.74)。
在經典和非經典HLA I類基因中，HLA-E與CYT的相關性最高(R=0.67)，而HLA- G與CYT的相關性最低(R=0.43)(圖2B)。HLA- DR與CYT的相關性最高(R=0.73)，而HLA- DM與CYT的相關性最低(R=0.64)。根據HLA I和HLA II類基因表達數據的主成分分析(PCA)顯示，溶細胞活性高的腫瘤匯聚在一起(圖2C)。此外，作者以HLA I和HLA II類基因的表達水平為特征，進行隨機森林分類器分析，對具有強細胞溶解活性的樣本進行分類，準確率高(AUC=0.93)，表明該表達數據具有預測出免疫原性熱腫瘤的潛力。結果還發現，HLA-E、HLA-DQA1和HLA-DRA具有最高的relative feature importance，而HLA-G的relative feature importance最低。總的來看，在作者進行的研究中，HLA I類和II類基因的表達與腫瘤免疫原性密切相關，并可能優于TMB作為預測腫瘤免疫活性的臨床指標。
HLA Allelic Diversity in Tumors with High HLA Expression Correlates with Improved Survival.
HLA高表達腫瘤中HLA等位基因多樣性與生存率的提高相關
MHC-I類分子是高度可變的，在提呈抗原的過程中具有不同的理化性質。接下來，作者評估了HLA I類超家族在TCGA腫瘤中的表達情況。HLA I類超家族在不同腫瘤間的表達分布是對稱的(圖3A)。在HLA -A中，A24的突變頻率最低，而在HLA-B中，B8、B27、B58和B62的突變頻率最低。HLA I類基因的表達沒有顯著差異，這個結果提示個體的特定HLA類型與HLA基因表達無關。此外，不同HLA超家族之間的免疫浸潤、促炎基因表達和免疫檢查點表達具有可比性。在HLA I基因中，HLA-B等位基因組與患者生存率顯著相關，B*15 (Cox proportional-hazards, HR=1.79, p=0.021)和B*50與患者預后差顯著相關(HR=21.15, p=0.003)。由于HLA- B是所有三個HLA I類基因位點中最具多樣性的，這可能是導致不同預后的主要原因。
由于患者的HLA等位基因的多樣性可能會產生更多的新抗原，從而增加腫瘤被免疫排斥的可能性，作者進一步分析HLA等位基因多樣性是否與腫瘤免疫原性相關。用HLA-I進化分化(HED)評分評估每個患者的HLA-I類等位基因的理化性質。所有三個HLA I位點純合子的患者HED評分為0。結果發現，HLA I等位基因功能多樣性越高，患者HED評分越高。所有患者的中位HED為6.66，低為0，高為11.54(圖3B)。但是沒有觀察到HLA I等位基因多樣性與TME中免疫細胞、促炎基因或免疫檢查點浸潤水平之間的相關性。
作者推斷，如果HLA基因表達水平低，那么較高的等位基因多樣性可能不利于提呈腫瘤新抗原。因此，作者提出在HLA I類基因高表達的腫瘤中，HLA I等位基因的高等位變異可能會更有效地提呈腫瘤新抗原并促進抗腫瘤免疫反應。為了驗證這一假設，作者根據HED評分和HLA I類基因的表達水平將所有患者分為四個象限(圖3C)。HLA I類基因高表達和高HED評分顯示明顯更好的生存 (圖3D)。此外，在四個象限中，僅高HLA I(象限IV)或高HED(象限II)與生存沒有顯著相關性(圖3E)。最后結論是，在HLA I類基因高表達的腫瘤中，HLA I等位基因多樣性高與患者較好的預后相關。
HLA Class I and Class II Genes Show Differential Expression Patterns across Various Immune Microenvironments with Different Survival Outcomes.
HLA I類和II類基因在不同的免疫微環境中表現出不同的表達模式，具有不同的生存結果
接下來，作者分析了HLA基因表達在各種腫瘤的免疫微環境中是否有差異。為此，作者在腫瘤與其匹配的正常樣本中進行比較6種免疫亞型(C1-C6)中HLA I類和II類的差異基因表達。這些6種亞型來自160個免疫表達特征 (不包括HLA基因) :C1(傷口愈合)、C2 (IFN-γ優勢)、C3(炎癥)、C4(淋巴細胞耗盡)、C5(免疫靜默)和C6 (TGF-β優勢)。C2和C3的特點是抗腫瘤I型免疫反應。C5的免疫浸潤評分最低，而C4和C6的腫瘤患者預后最差，且腫瘤微環境以巨噬細胞浸潤為主。作者發現HLA I類基因表達在C2和C3上調，而在C5顯著下調 (圖4A, 4C)。
既往研究報道C2和C3亞型的腫瘤組織免疫浸潤評分最高，而C5亞型免疫浸潤特征最近低。HLA -II類基因表達在C1、C4和C5亞型的腫瘤中顯著下調 (圖4B-C)。令人驚訝的是，雖然C2和C3都是免疫浸潤“熱腫瘤”，但HLA -II類基因在C3亞型中顯著高表達，這表明HLA- I類基因上調和兩類HLA基因均上調具有不同的免疫微環境特征。
HLA- I類分子與CD8 +T細胞之間存在相互作用，而II類分子與CD4+輔助T細胞之間存在相互作用。作者進一步評估HLA -I類和II類基因上調是否與輔助T細胞和細胞毒性T細胞介導的適應性免疫相關。HLA-II類基因上調的患者Th1細胞水平明顯高于HLA-II類基因低表達的患者(圖4D)。相比之下，HLA I類基因的表達水平與Th1細胞水平只有較低的相關性。另一方面，高表達HLA-I類基因和HLA-II類基因與細胞溶解活性評分的增加和CD8+ T細胞浸潤水平存在相關性。雖然HLA- I類和II類基因的上調均與細胞毒性T細胞介導的免疫有關，但作者的研究結果表明，HLA- II類基因的上調與輔助T細胞介導的免疫有很強的相關性，這可能會導致促進腫瘤微環境中T細胞增強細胞溶解活性，發揮更強的抗腫瘤免疫。
作者考慮HLA基因表達數據是否可以用來預測腫瘤樣本的免疫亞型。作者利用HLA I類和II類基因的轉錄組數據進行人工神經網絡模型分析，預測6種免疫亞型。結果發現該模型能夠準確預測腫瘤的免疫亞型 (圖4E)。在6種免疫亞型中，C3和C5的分類準確率最高， C6的分類準確率最低。總之，結果表明，HLA- I類和II類基因有可能預測腫瘤中不同類型的免疫微環境
作者還分析了HLA基因表達是否可以預測患者的預后。結果發現，溶細胞活性、TMB和腫瘤新抗原均無法預測患者的預后，相比而言，HLA – II類基因可以預測患者的預后 (圖4F)。此外，在單個腫瘤類型中，LUAD和BRCA的HLA-II類基因高表達與較好的預后相關。其他腫瘤類型(KIRC、THCA、COAD、UCEC、ESCA、HNSC、LIHC、BLCA)的HLA-II類基因高表達也與較好的預后相關，但相關性無統計學意義。結果得出，HLA -II類基因的上調與抗腫瘤免疫反應相關，與較好的預后相關。
DNA Methylation near HLA Class I Genes Favored under Strong Cytolytic Activity Can Be Alleviated by Class II Gene Upregulation.
細胞溶解活性強的HLA I類基因的DNA甲基化可以通過上調II類基因來緩解
HLA類基因的DNA甲基化水平改變已被證明是一種潛在的HLA介導的腫瘤逃逸策略，可下調HLA類基因表達并抑制免疫反應。作者首先評估了HLA -I類基因不同甲基化水平對免疫的影響。總體而言，HLA- I表達與甲基化水平呈顯著負相關。溶細胞活性高的腫瘤HLA -I基因出現低甲基化改變，而溶細胞活性低的腫瘤發生高甲基化(圖5A)。此外，作者觀察到不同免疫亞型HLA -I類基因的甲基化水平不同 (圖5B)。C1(傷口愈合)和C4(淋巴細胞耗盡)中HLA -I類基因表達較低，C1和C4中HLA- I類基因的甲基化水平升高。與C3(炎癥)腫瘤相比，C2 (IFN-γ優勢)腫瘤的HLA- I類基因的甲基化水平明顯更高，盡管HLA- I類基因表達水平是一致的。這表明，雖然C2和C3腫瘤均存在HLA- I類基因高表達，但C2腫瘤HLA I類基因甲基化水平變高。
作者關注C2和C3亞型的腫瘤，這兩種腫瘤都是以I型免疫反應為主。溶細胞活性高的C2腫瘤，其HLA -I類基因的甲基化程度明顯高于C3腫瘤，而溶細胞活性低的腫瘤，其HLA- I類基因的甲基化程度相當(圖5C)。這表明，在強烈的免疫活性下，具有I型免疫反應的腫瘤的HLA- I類基因的甲基化水平增加，以逃避免疫識別。由于HLA -II類基因在C3中顯著上調，作者分析了更高的HLA- II類基因的表達是否會降低腫瘤中HLA- I類基因的甲基化水平。HLA-II類基因高表達的腫瘤，甲基化水平明顯高于HLA-II類基因低表達的腫瘤 (圖5D)。作者的研究結果支持HLA- II類基因上調可能是腫瘤微環境改善腫瘤免疫逃逸和觸發有效抗腫瘤免疫的機制。
HLA Loss of Heterozygosity (LOH) Is Associated with Worse Survival but Can Be Counter Balanced by High HLA Expression.
HLA雜合性缺失(LOH)與較差的生存率相關，但可以通過高表達來平衡
HLA- LOH是一種潛在的HLA介導的腫瘤免疫逃逸策略，作者分析了它與HLA類基因表達和患者預后的相關性。作者重點研究了BRCA、LUAD和SKCM這三種具有免疫治療潛力的常見癌癥類型。
結果發現，HLA - LOH與預后差存在相關性。在BRCA和SKCM患者中，HLA - LOH與患者的預后無顯著相關性，而在LUAD患者中，HLA - LOH與較差的預后相關。
接下來，作者的分析發現具有HLA - LOH的腫瘤更容易逃避免疫識別。高溶細胞活性的腫瘤含有更多的HLA LOH (圖6A)。在5種免疫亞型中，C2 (IFN-γ優勢)腫瘤中HLA - LOH的比例最高，而C3(炎癥)腫瘤中HLA - LOH的比例最低 (圖6B)。盡管C2和C3腫瘤都具有I型免疫反應的特征，但C2型腫瘤含更多的HLA LOH。令人驚訝的是，并沒有發現HLA -I類基因的拷貝數與基因表達之間存在相關性 (圖6C)。也沒有發現HLA -I類基因表達水平與LOH之間的存在相關性。這表明HLA- I類基因在RNA水平上的表達與DNA水平上HLA I等位基因的丟失不相關。HLA LOH很可能不會下調HLA類基因的總表達。基于HLA類基因缺失可能導致腫瘤新抗原的丟失，促使腫瘤發生免疫逃逸，作者分析了HLA基因高表達是否可能彌補腫瘤新抗原遞呈的減少。有趣的是，在HLA- I類基因低表達、HLA- LOH的腫瘤中，患者預后較差，而在HLA-I高表達、HLA- LOH的腫瘤中，患者預后無差異(圖6D)。總之，HLA LOH與較差預后的相關性受到HLA基因表達水平的影響。
結論
本文作者分析了HLA基因表達水平，HLA基因超家族表達水平與腫瘤患者免疫微環境的相關性，以及與腫瘤患者預后的相關性，根據HLA基因的表達對腫瘤患者進行分型，發現不同HLA分型的腫瘤患者預后存在差異，這種改變可能與HLA介導的腫瘤免疫相關。
附TCGA35種腫瘤項目縮寫:
腎上腺皮質癌 ( Adrenocortical Cancer, ACC) ; 膀胱尿路上皮癌 ( Bladder Cancer, BLCA);乳腺浸潤癌 (Breast Cancer, BRCA); 宮頸鱗癌和腺癌 (Cervical Cancer, CESC); 膽管癌(Bile Duct Cancer, CHOL); 結腸癌 ( Colon Cancer, COAD); 結直腸癌( Colon and Rectal Cancer, COADREAD); 彌漫性大B細胞淋巴瘤( Large B-cell Lymphoma, DLBC);食管癌 (Esophageal Cancer, ESCA); FFPE試點二期 (FFPE Pilot Phase II, FPPP);多形成性膠質細胞瘤( Glioblastoma, GBM); 膠質細胞瘤( lower grade glioma and glioblastoma, GBMLGG);頭頸癌( Head and Neck Cancer, HNSC); 腎嫌色細胞癌( Kidney Chromophobe, KICH); 腎透明細胞癌( Kidney Clear Cell Carcinoma, KIRC); 腎乳頭狀細胞癌( Kidney Papillary Cell Carcinoma, KIRP); 急性髓系白血病 ( Acute Myeloid Leukemia, LAML); 腦低級別膠質瘤 (Lower Grade Glioma, LGG); 肝癌( Liver Cancer, LIHC); 肺腺癌 ( Lung Adenocarcinoma, LUAD); 肺癌 ( Lung Cancer, LUNG); 肺鱗狀細胞癌 ( Lung Squamous Cell Carcinoma, LUSC); 間皮瘤 ( Mesothelioma, MESO; 卵巢癌( Ovarian Cancer, OV); 胰腺癌 ( Pancreatic Cancer, PAAD); 泛癌 ( Pan-Cancer, PANCAN);嗜鉻細胞瘤和副神經節瘤 (Pheochromocytoma & Paraganglioma, PCPG); 前列腺癌( Prostate Cancer, PRAD); 直腸癌( Rectal Cancer, READ); 肉瘤( Sarcoma, SARC); 皮膚黑色素瘤( Melanoma, SKCM); 胃癌( Stomach Cancer, STAD); 睪丸癌 (Testicular Cancer, TGCT); 甲狀腺癌( Thyroid Cancer, THCA); 胸腺瘤( Thymoma, THYM); 子宮內膜樣癌 ( Endometrioid Cancer, UCEC); 子宮癌肉瘤( Uterine Carcinosarcoma, UCS); 眼部黑色素瘤( Ocular melanomas, UVM).
