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生物信息追踪新方法揭示结直肠癌T细胞动态变化

【字体: 时间:2018年10月31日 来源:北京大学

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  研究开发了STARTRAC(Single T-cell Analysis by Rna-seq and Tcr TRACking)的生物信息学分析方法,利用该方法系统性地刻画了来自12个结直肠癌病人的大量T细胞的组织分布特性、克隆增生、迁移和状态转化关系,是迄今为止国际上针对结直肠癌肿瘤微环境中单个T细胞规模最全面深入的新颖性研究。

  

来自北京大学未来基因诊断高精尖创新中心(ICG)、生命科学学院BIOPIC、北大-清华生命科学联合中心的张泽民研究组与美国安进公司欧阳文军团队及北京大学人民医院申占龙课题组合作在国际顶级杂志Nature在线发表了题为“Lineage tracking reveals dynamic relationships of T cells in colorectal cancer”的研究论文。该研究开发了STARTRAC(Single T-cell Analysis by Rna-seq and Tcr TRACking)的生物信息学分析方法,利用该方法系统性地刻画了来自12个结直肠癌病人的大量T细胞的组织分布特性、克隆增生、迁移和状态转化关系(图1),是迄今为止国际上针对结直肠癌肿瘤微环境中单个T细胞规模最全面深入的新颖性研究。

此外,该研究发现了基因组微卫星不稳定(Microsatellite instable,MSI)和微卫星稳定(Microsatellite stable,MSS)病人间差异的CD4阳性T细胞新类群,并对新类群特异表达的协同刺激因子进行了功能阐释。该项国际领先的开创性工作,为研究其他疾病中的T细胞以及开发新的治疗方案提供了思路。


图1. STARTRAC生物信息定量分析方法示意图

肿瘤浸润T淋巴细胞在肿瘤免疫治疗中发挥核心作用。基于免疫检查点(如CTLA-4,PD-1/PD-L1)开发的抑制剂药物在多种癌症治疗中取得良好疗效,然而不同类型癌症病人的疗效迥异。近期小鼠模型实验证明肿瘤外部的T细胞可以参与系统性抗肿瘤免疫反应 ,不同状态的CD8+T细胞对免疫检查点抑制剂的治疗效果差异显著,这暗示T细胞的迁移潜能和状态变化特性,可能对其抗击肿瘤发挥至关重要的作用。基于单细胞转录组学的研究在T细胞的亚型分类和分子图谱刻画上取得了一系列进展,而描绘人体内T细胞的动态变化一直是研究的难点。

为攻克该研究难点,张泽民教授的研究团队开创性地利用T细胞受体(TCR)作为标签,开发了STARTRAC系统性的生物信息定量分析方法,利用该方法对结直肠癌病人癌组织、癌旁组织以及外周血中鉴定的20类不同类型T细胞进行追踪(图2),取得了一系列新进展。研究发现除了肿瘤微环境外,TCR也会影响肿瘤浸润CD8+效应记忆T细胞(effector memory T cell)向“耗竭性T细胞 (exhausted T cell)”和效应T细胞的转化,该发现将有助于我们理解肿瘤微环境中耗竭性T细胞的来源,并为逆转其状态提供新的思路。


图2. 结直肠癌患者T细胞主要类群及其特征

多项临床试验表明,MSI/dMMR(错配修复基因缺陷)结直肠癌病人对免疫检查点抑制剂的治疗响应显著优于MSS病人。以往基于组织水平的研究发现,这两类结直肠癌病人有显著的T细胞基因表达差异,如IFNG和PDCD1,推测这种差异可能来自CD8 T细胞和TH1细胞。由于技术限制,对MSI和MSS结直肠癌病人差异类群的寻找和鉴定一直没有解决。该研究基于单细胞测序技术,发现MSS结直肠癌病人比MSI病人显著富集TH17细胞,而MSI病人中显著富集一群高表达CXCL13的TH1-like细胞。值得注意的是,研究人员在结直肠癌癌组织中发现了两群高表达IFNG的CD4 TH1-like细胞,只有高表达CXCL13的亚群在MSI病人中显著富集。

研究人员进一步发现,这两群TH1-like细胞具有不同的IFNG转录调控因子,其中BHLHE40不仅可以促进产生效应性的IFN-ɣ分子,还可以抑制产生抑制性的IL-10分子,提示CXCL13+ TH1-like细胞可能与免疫检查点抑制剂的治疗响应相关(图3)。此外,该类群细胞高表达多种在肿瘤免疫中功能未知的膜表面蛋白,其中IGFLR1作为新的协同刺激因子,IGFLR1/IGFL3通路可作为潜在的药物治疗靶点。

图3. MSI病人显著富集高表达BHLHE40和IGFLR1的CXCL3+ TH1-like细胞

该研究第一作者北京大学前沿交叉研究院的博士后张雷表示,目前国际上针对肿瘤微环境中T细胞的研究更多关注分类层面,想要有所突破亟需新颖的分析角度和观念。

研究团队经过多次大胆尝试,率先开发了基于TCR序列的STARTRAC系统性生物信息学定量分析方法,深入刻画了T细胞在结直肠癌肿瘤微环境中的动态变化,这为进一步解析T细胞在不同结直肠癌病人间的差异奠定了坚实的基础,同时为挖掘新的治疗靶点提供了契机。


团队合影。论文共同通讯作者:张泽民(后4),欧阳文军(后3),申占龙(后5);共同第一作者:张雷(前5),郑良涛(后6),张园园(前6)(从左向右)

北京大学前沿交叉研究院博士后张雷、美国安进公司炎症与肿瘤部Yu Xin、北京大学前沿交叉研究院博士生郑良涛、北京大学生命科学学院博士生张园园为该论文并列第一作者。北京大学生命科学学院BIOPIC、北京未来基因诊断高精尖创新中心(ICG)、北大-清华生命科学联合中心张泽民、美国安进公司炎症与肿瘤部欧阳文军,以及北京大学人民医院胃肠外科申占龙为该论文的共同通讯作者。

原文标题:

Lineage tracking reveals dynamic relationships of T cells in colorectal cancer

 http://www.nature.com/articles/s41586-018-0694-x 

 

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