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题目:Integrating bulk and single‐cell RNA sequencing reveals cellular heterogeneity and immune infiltration in hepatocellular carcinoma
日期:2022-06
期刊:Molecular Oncology(IF:7.4)
DOI: https://doi.org/10.1002/1878-0261.13190
肝细胞癌 (HCC) 是最常见的原发性肝癌,5 年生存率为 12-18%。HCC 的特征在于肿瘤间和肿瘤内的异质性。因此揭示 HCC 异质性背后的分子机制对于靶向治疗的发展至关重要。迄今为止,已有数种药物获批用于 HCC 治疗,但效果并不理想。由于肿瘤的异质性,HCC治疗中出现耐药性是不可避免的。超过 50% 的 HCC 患者目前接受的全身化疗被证明几乎没有效果并且对正常肝脏有毒性。
本文整合了 scRNAseq 和多组学数据的分析,揭示了 HCC 中的肿瘤异质性和免疫抑制机制。
Dataset | Description | Address |
---|---|---|
TCGA | RNA data and prognosis | http://lifeome.net/database/hccdb/download.html |
ICGC | RNA data and prognosis | http://lifeome.net/database/hccdb/download.html |
GSE149614 | HCC TME single cell | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE149614 |
GSE115469 | healthy liver single cell | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE115469 |
GSE98638 | HCC T cell single cell | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE98638 |
GSE146409 | HCC TME single cell | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE146409 |
GSE149197 | BATF-knockout RNA data | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE149197 |
去掉了没有完整生存信息或者临床数据的样本后,得到了353个TCGA + 232个ICGC样本
使用limma进行分析,考虑到S1和S3是高免疫浸润的,而S2是高肿瘤纯度。所以将S1和S3的基因与ImmPort (https://immport.niaid.nih.gov/home)的免疫基因取交集,并且排除了S2中的免疫基因,最后将这些基因作为final candidate genes。
FindClusters
分群,然后UMAP可视化blockwiseModules
function with default parameters.输入数据是Seurat的raw UMI counts,然后过滤标准是:sum of expression > 3 x 0.005 x cell numbers
detected in at least 0.5% of the cells
之后是走SCENIC的标准流程,然后使用GENIE3 method (for a single sample) and GRNBoost (for the combined sample) to identify potential transcription factor (TF) targets
使用TCGA的数据进行NMF分析得到了120 cases in pattern cluster S1, 144 cases in cluster S2 and 89 cases in cluster S3
然后使用SubMap工具 + ICGC的数据进行了验证:
生存分析发现S3的预后是最差的,同时S3的临床数据也显示了很高的tumor stage(AJCC-T3/T4 and Neoplasm disease stage III and IV)
也就是分析肿瘤纯度和免疫浸润
发现:S2的immune and stromal scores要远低于S1和S3,但它的肿瘤纯度最高
因为之前发现S3的预后是最差的,因此又使用CIBERSORT对这三个亚型看了22种免疫细胞的分布情况:
T细胞的marker基因在S3中表达量更高:
另外immunosuppressed score和其他一些marker基因(VEGFA, CTLA4, HAVCR2 and TIGIT)也是在S3中高表达,因此推断:免疫异质性T细胞占比高,可能与预后差相关;另外,巨噬细胞marker基因(CD68)以及EMT的marker基因(MMP2 and MMP9)在S3中高,说明在肿瘤微环境中的这些细胞,可能与肿瘤进展相关。
相比之下,S1的预后是最好的,它高表达:activated T cell markers (CD3E, PRF1 and GZMK)、exhausted marker genes of T cells ( PDCD1 and HAVCR2)
另外,对这三个亚型进行GO_BP 和HALLMARKER 通路的GSVA分析,发现:
综上:
之前有报道说:肿瘤基因组突变和抗肿瘤免疫相关因此接下来探索了几个亚型的基因频率和拷贝数突变类型的差异
基因频率数据发现:
值得注意的是:CTNNB1-non mutated group的CD3D and CTLA4表达量和免疫分数更高。之前研究表明:CTNNB1 突变的HCC病人具有较低的免疫浸润
拷贝数突变类型数据发现:
YEATS4 and VIMP基因在S3中高表达,同时在S3出现扩增突变,在S1中出现缺失突变;CYFIP2 and ABLIM3在S1中高表达,同时在S1出现扩增突变,在S3中出现缺失突变
综上:
作者使用的单细胞数据是:GSE149614(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE149614) 【> 70,000 single-cell transcriptomes for 10 HCC patients】
同样是计算immunosuppressed, activated T cells (aT) and liver scores,发现:
也就是找出能将上面10个样本进行分类的基因,拿到positive samples的差异基因后,发现当选择top 108个基因时,可以达到all false‐positive rates (FPRs) were 0 and all true‐positive rates (TPRs) were 1;当基因数量增加时,FPRs and TPRs的值也不再改变。
使用TCGA+ICGC数据验证这108个基因的分类器。先挑出来含有这些基因的样本,然后同样分成三组,生存分析显示TCGA的S3依然是预后最差;ICGC的S3具有较高的immunosuppressive genes, high immune scores, low tumor purity score,同样也是预后最差。图D的SubMap分析显示ICGC和TCGA的结果也具有一致性。
单细胞的三个亚型编号为:CS1, CS2 and CS3
之后进行降维聚类分群,得到了16 types:6007 T cells, 1845 B cells, 14 552 epithelial cells, 350 NK cells, 1850 endothelial cells and 1548 fibroblasts
继续细分群得到了:4 T cells, 2 B cells, and 3 macrophage
发现了:
从侧面反映了之前的分类器的正确
之后就是分析各种免疫细胞的表达情况:
因为单细胞的CS3和之前TCGA的S3是相似的,而S3又具有免疫抑制属性,所以这里主要就拿CS3来做。
首先使用WGCNA拿到CS3‐specific subtypes (mT, tT, myCAF and mMφ)的gene modules;然后使用SCENIC得到immunosuppression‐promoting TF regulons
总共是12 gene module,其中
然后拿到每个模块的hub gene,发现:
找到了核心的BATF转录因子:BATF could regulate TIGIT and CTLA4 and the co‐stimulatory gene ICOS
之后也在TCGA和ICGC中进行了表达量相关性验证
生存分析发现:High expression levels of BATF were correlated with poor prognosis,然后其他研究数据侧面反映了这一点:
因为TCGA的S3亚型具有较高的stromal infiltration,因此接下来分析了肿瘤微环境的细胞对肿瘤免疫抑制微环境的影响,发现了:
最后得出结论:mMφ could directly or indirectly promote the immunosuppressive status of the S3‐like HCC subtype
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