Nature | 陈兴宇等揭示男性Y染色体缺失促进肿瘤生长并影响肿瘤免疫

Nature | 陈兴宇等揭示男性Y染色体缺失促进肿瘤生长并影响肿瘤免疫 by 生信技能树

陈兴宇是我们共享服务器的老客户了，所以我第一时间在他的朋友圈看到了他发nature的好消息，恰好公众号《BioArt》报道了，我就借花献佛转发给大家。

在人类中，每个细胞通常都有一对性染色体，男性有一条X和一条Y染色体，而女性有两条X染色体。Y染色体对于男性性别决定和精子发生至关重要，在年龄等多种因素影响下，部分男性会丢失部分Y染色体（Loss of the Y chromosome (LOY)），LOY与许多不利的健康后果有关。例如，在老年男性中，造血细胞中的LOY与多种疾病的风险增加有关，包括心脏纤维化【2】和多种癌症类型【3-6】。已在多种癌症类型中观察到LOY，包括10%-40%的膀胱癌，LOY可以导致细胞的遗传和表观遗传变化，进而影响细胞的功能和表型。

2023年6月21日，Cedars-Sinai Medical Center的Dan Theodorescu团队和The Ohio State University的Zihai Li教授团队（共同一作为Hany A. Abdel-Hafiz, Johanna M. Schafer和Xingyu Chen(陈兴宇)）在Nature上发表了文章Y chromosome loss in cancer drives growth by evasion of adaptive immunity ，通过CRISPR–Cas9技术靶向敲除Y染色体，结合光谱流式技术、单细胞核测序、空间蛋白质组学等技术手段，系统性研究了LOY对膀胱癌免疫中的作用。值得一提的是，Nature同时发表了另一项关于结直肠癌转移的性别差异的论文，详见BioArt的报道（Nature | 男性结直肠患者为何易转移？李洁茜等揭示组蛋白去甲基化酶KDM5D在结直肠癌性别差异中的重要作用）。

研究人员开发了一种评分系统来测量癌症中Y染色体的丢失，他们发现未经治疗的Y染色体缺失的患者预后较差。研究者进一步研究发现在2D或3D离体培养中，Y−和Y+亚系之间的增殖没有差异。为了探索LOY对体内肿瘤生长的影响，研究者将Y−和Y+细胞系皮下注射到免疫功能完好的野生型雄性C57BL/6小鼠中，发现与Y+肿瘤相比，Y−肿瘤的生长速率增加了近两倍。这个观察结果在临床上具有重要的相关性，因为它与人类肿瘤的关系相一致。然后，研究者通过将每种细胞类型注射到野生型和Rag2−/−Il2rg−/−（缺乏T细胞、B细胞和自然杀伤细胞）小鼠中，评估了宿主免疫对不同生长的贡献。在野生型小鼠中，Y−肿瘤的生长速度显著快于Y+肿瘤，而在免疫受损的Rag2−/−Il2rg−/−小鼠中，两种细胞类型的生长速度相同，这表明Y−肿瘤在逃避抗肿瘤适应性免疫方面更为高效。

研究者使用高维光谱流式细胞术来描述Y+和Y−肿瘤之间CD45+肿瘤内免疫细胞群体的差异。Y−肿瘤中总CD8+T细胞的比例增加，以及免疫抑制性（CD11b+F4/80+LY6C−CD206+）巨噬细胞的比例增加。Y+肿瘤中浸润肿瘤的巨噬细胞表现出更具炎性（CD11b+F4/80+LY6C+CD206−）的表型。值得注意的是，Y−肿瘤中PD-L1+CD45+免疫细胞的百分比增加，PD-L1表达水平也增加，这在CRISPR Y-Scr和CRISPR Y-KO MB49肿瘤中观察到类似的结果，CRISPR Y-KO肿瘤中CD8+ T细胞的比例以及免疫抑制性CD206+PD-L1+巨噬细胞的比例更高。研究者使用GeoMX hi-plex空间蛋白质组学分析，在Y− MB49组织切片中的组织学上观察到增多的F4/80+巨噬细胞和增加的PD-1/PD-L1表达。

为了确定Y−小鼠肿瘤的肿瘤微环境是否反映临床数据，研究者对TCGA数据库中尿路上皮膀胱癌的RNA测序（RNA-seq）数据进行了分解，并挖掘了先前发表的肌肉浸润性膀胱癌SnRNA-seq数据集。与前面的Y−和Y+ MB49细胞的结果类似，Ylow肿瘤中的CD8+ T细胞表达CD274（编码PD-L1）、LAG3和HAVCR2（编码TIM3）等免疫检查点分子的表达增加，以及前体T细胞（TCF7）和终末耗竭T细胞（TOX）的标记物。然后，研究者通过将每个细胞序列与注释的参考UMAP叠加，比较了不同肿瘤类型之间这些T细胞亚群的比例，发现Ylow膀胱癌中耗竭和前体耗竭的CD8+T细胞比例更高，以及T调节细胞的比例更高。为了进一步验证snRNA-seq的结果并评估组织学上的T细胞耗竭水平，研究者还评估了来自与患者相匹配的样本的CODEX结果。与光谱流式细胞术和snRNA-seq分析一致，Ylow膀胱癌中含有更高比例的功能失调的CD8+ T细胞。值得注意的是，Ylow膀胱癌样本中的CD8+ T细胞比例较Yhigh膀胱癌样本高，但TOX的表达在Ylow肿瘤的所有肿瘤内T细胞亚群中（包括CD8+ T细胞（类似幼稚型、早期活化型、耗竭型、前体耗竭型和效应记忆型）和CD4+ T细胞（T调节细胞、类似幼稚型、T滤泡辅助型和T辅助1细胞））均较高。综上所述，这些数据支持了LOY肿瘤促进肿瘤微环境中CD8+ T细胞耗竭的观点。

鉴于肿瘤微环境中耗竭和前体耗竭CD8+ T细胞的增加与对抗PD-1/PD-L1 ICB32治疗的改善反应有关，研究者使用抗PD-1阻断抗体治疗了Y+和Y− MB49细胞系以及CRISPR Y-Scr和CRISPR Y-KO MB49细胞系。在治疗结束时，他们进行了光谱流式细胞术，以研究肿瘤浸润的CD8+ T细胞在有无ICB情况下的动态变化。经克隆选择和CRISPR生成的Y−肿瘤模型与Y+肿瘤相比，对抗PD-1治疗的反应有所改善。与他们在人体snRNA-seq数据的分析一致，与Y+肿瘤相比，接受同种型对照抗体治疗的Y−肿瘤中的CD8+ T细胞表达更多的耗竭标记物，如TOX和TIM3。值得注意的是，Y−肿瘤中的CD8+ T细胞对抗PD-1治疗表现出更大的表型反应——从更加耗竭（表达TIM3、LAG3和TOX）的分化状态向更加活化（表达CD44、ICOS但不表达TOX）的分化状态转变。Y+肿瘤的较不侵袭性特性在肿瘤生长的早期阶段最为明显，我们将其归因于基线时更为活化的淋巴细胞状态。很可能是这些肿瘤对抗PD-1治疗反应不佳的原因。

综上所述，Dan Theodorescu团队和Zihai Li团队，系统地揭示了Y染色体的相应丢失如何赋予膀胱癌症侵袭性表型。意识到 Y 染色体丢失的重要性将激发人们讨论将性别视为人类生物学所有科学研究中的一个变量的重要性，该研究可以解释为什么某些癌症在男性或女性中更严重，以及如何最好地治疗它们，另外，这些结果也提示Y 染色体不仅仅决定人类的生理性别。这项工作为LOY突变的基本生物学和改进癌症免疫治疗的潜在生物标记物提供了深刻见解。

共同第一作者：陈兴宇，Research Bioinformatician I，目前就职于西达赛奈医疗中心（2022全美最佳医院排行榜中名列加州第一，全美第二），致力于单细胞基因组/转录组测序及空间组学的生物信息学分析、癌症基因组和肿瘤免疫学的研究，擅长利用前沿的实验技术和生物信息学方法进行肿瘤及其微环境的异质性、耐药性以及细胞相互作用等方面的研究。联系方式：Xingyu.Chen@cshs.org

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06234-x

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