基于MPT驱动坏死相关基因构建皮肤黑色素瘤预后及免疫状态预测新模型

《Journal of Cancer Research and Clinical Oncology》：Constructing a novel MPT-driven necrosis-associated gene set for predicting prognosis and immune status in skin cutaneous melanoma

本研究针对皮肤黑色素瘤(SKCM)预后标志物有限的问题，通过筛选39个MPT驱动坏死相关基因(MPTDNRG)，构建了包含BIRC3、CASP7、ENDOG、PRF1、PRKCB的五基因标志物(MPTDNRGS)。该标志物能有效预测患者生存风险，高风险组显示免疫抑制状态及对免疫检查点抑制剂响应降低。单细胞分析揭示BIRC3在T细胞免疫抑制表型转化中的关键作用。研究为SKCM提供了新型预后工具并提示潜在治疗靶点。

　　

在皮肤癌的众多类型中，皮肤黑色素瘤(Skin Cutaneous Melanoma, SKCM)以其极强的侵袭性和高死亡率令人闻之色变。尽管它在所有皮肤恶性肿瘤中占比不高，但每年却夺走约5.5万人的生命，成为皮肤癌相关死亡的主要原因。更令人担忧的是，早期SKCM通过手术切除通常可以治愈，但一旦进入晚期，癌细胞会通过血液和淋巴系统迅速扩散，治疗变得异常困难。虽然免疫检查点阻断疗法和靶向药物的出现为患者带来了希望，但治疗抵抗和个体反应差异大的问题依然突出，这迫切需要我们深入理解肿瘤发展的生物学过程，开发更有效的预后预测工具。

细胞死亡调控异常是癌症的一个重要特征。肿瘤细胞通过逃避程序性死亡来在应激条件下生存，从而导致免疫逃逸和治疗抵抗。在众多细胞死亡方式中，线粒体通透性转换(Mitochondrial Permeability Transition, MPT)驱动的坏死近年来备受关注。与传统观点不同，现在认为坏死也是一种受调控的细胞死亡形式。MPT驱动坏死由线粒体功能障碍触发，不同于凋亡、坏死性凋亡和铁死亡。它会导致损伤相关分子模式(Damage-Associated Molecular Patterns, DAMPs)的释放，从而在肿瘤微环境中引发炎症和免疫反应。线粒体作为细胞能量代谢和代谢调控的中心，在细胞存活和死亡中起决定性作用。当线粒体完整性被破坏时，会激活线粒体通透性转换孔(mPTP)，其长时间开放会导致膜电位消散、基质肿胀、外膜破裂，最终引起坏死性死亡。

在SKCM这种常处于缺氧、营养缺乏的肿瘤微环境的实体瘤中，MPT驱动坏死相关基因可能成为决定肿瘤免疫原性和患者预后的重要因素。尽管免疫检查点抑制剂取得了进展，但许多SKCM患者仍因治疗结果不可预测而面临高死亡率风险。MPT驱动坏死作为一个能够塑造肿瘤微环境的调控过程，其在SKCM中的预后价值尚不清楚。

在这项发表在《Journal of Cancer Research and Clinical Oncology》的研究中，Yang Wenxian和Fan Shuwen构建了一个新颖的MPT驱动坏死相关基因标志物，用于预测SKCM患者的预后和免疫状态。研究人员从分子特征数据库(Molecular Signatures Database, MSigDB)中获取了39个MPT驱动坏死相关基因，利用TCGA-SKCM和GTEx数据集，通过差异表达分析、Cox回归和LASSO回归分析，最终构建了一个包含五个基因(BIRC3、CASP7、ENDOG、PRF1、PRKCB)的MPT驱动坏死相关基因标志物(MPTDNRGS)。该标志物在GEO队列(GSE19234、GSE65904)中得到了验证。研究人员还建立了一个整合临床因素的列线图来评估预测性能，并通过功能富集、免疫浸润和检查点响应分析探讨了其生物学意义。单细胞RNA测序分析进一步绘制了细胞类型特异性表达和T细胞轨迹。

关键技术方法

研究主要利用了生物信息学分析方法。从TCGA和GTEx数据库获取SKCM组织和正常皮肤的基因表达数据及临床信息，从GEO数据库获取验证队列数据。通过差异表达分析筛选差异基因，使用Cox回归和LASSO回归构建预后模型。通过单样本GSEA、CIBERSORT等多种算法评估免疫细胞浸润，利用TCIA数据库预测免疫检查点抑制剂响应。对单细胞RNA测序数据使用Seurat和SingleR包进行处理和分析，通过Monocle3进行伪时间轨迹分析。

构建和验证SKCM中MPT驱动坏死相关预后基因集

研究人员首先通过筛选GSEA数据库中的MSigDB，确定了39个MPT驱动坏死相关基因。通过分析TCGA-SKCM的458个肿瘤样本和GTEx的471个正常皮肤组织样本，发现39个基因中有37个存在显著差异表达。通过单变量Cox回归分析，确定了15个与患者预后显著相关的基因。进一步通过LASSO回归分析和多变量Cox回归分析，最终确定了一个能够独立预测患者结局的五基因标志物。该MPTDNRGS包含BIRC3、CASP7、ENDOG、PRF1和PRKCB。

基于这五个基因的表达水平及其相应系数，研究人员为每位SKCM患者计算了风险评分，并根据中位风险评分将患者分为高风险组和低风险组。在训练集和验证集中，Kaplan-Meier生存曲线均显示高风险组患者的总生存期显著差于低风险组。时间依赖性ROC曲线分析进一步证实了MPTDNRGS预测SKCM患者预后的准确性和可靠性。

构建和验证包含临床特征的预测列线图

单变量Cox回归分析显示，风险评分、年龄、Clark水平、肿瘤分期(T)、淋巴结分期(N)和远处转移(M)均与总生存期显著相关。多变量Cox回归分析确定风险评分、年龄和肿瘤分期(T和N分期)是SKCM患者生存的独立预后因素。

通过整合MPTDNRGS、年龄和肿瘤分期(T和N分期)，研究人员构建了SKCM患者的预后列线图模型。时间依赖性ROC曲线分析表明，列线图模型的预测性能优于单独使用风险评分或临床病理参数。校准曲线显示预测与实际总生存结果之间具有良好一致性，决策曲线分析表明列线图模型在1、3、5年时比单独使用风险评分或临床病理参数提供更大的临床净效益。

高MPTDNRGS评分可能与免疫抑制相关

功能富集分析显示，免疫激活通路在高风险组中显著减少，表明高MPTDNRGS评分患者可能呈现免疫功能障碍或抑制状态。大多数免疫检查点基因在高风险组中表达下调。基于癌症免疫图谱(The Cancer Immunome Atlas, TCIA)的预测显示，高风险组对靶向CTLA-4、PD-1/PD-L1/PD-L2等免疫检查点的治疗反应性较低。多种计算算法的免疫细胞浸润评估显示，高风险组中大多数免疫细胞类型，尤其是T细胞，浸润水平显著降低。相关分析证实T细胞浸润与MPTDNRGS评分呈负相关。

肿瘤组织中的T细胞比正常组织表现出更高的MPTDNRGS评分

单细胞RNA测序分析显示，在肿瘤组中，T细胞占所有细胞的44.9%，而在对照组中占27%。MPTDNRGS评分比较表明，肿瘤组T细胞中的评分显著高于对照组，在所有细胞类型中，T细胞的这种差异最为明显，表明该群体发生了强烈的肿瘤相关改变。

T细胞中BIRC3表达随着免疫抑制进展而增加

精细聚类分析确定了11个不同的T细胞簇。基于关键标记基因的表达对T细胞簇进行分类，细胞组成分析显示，细胞毒性T细胞占T细胞群体的58.2%，而免疫抑制性T细胞占24.9%。细胞轨迹和伪时间分析显示，细胞毒性T细胞逐渐分化为免疫抑制性T细胞。在五个组成MPTDNRGS标志物的基因中，BIRC3的表达随着细胞毒性T细胞向免疫抑制表型进化而持续增加。差异表达分析进一步证实，免疫抑制性T细胞的BIRC3表达水平显著高于细胞毒性T细胞。

T细胞中高BIRC3表达可能驱动免疫抑制

BIRC3表达与多个免疫抑制基因呈强正相关，包括PDCD1(PD-1)、FOXP3、CTLA4、LAG3、TIGIT、TGFB1和IL2RA。基于BIRC3表达中位数将T细胞分为高BIRC3和低BIRC3组，基因集变异分析(Gene Set Variation Analysis, GSVA)显示，HALLMARK_TGF_BETA_SIGNALING和HALLMARK_IL6_JAK_STAT3_SIGNALING通路在高BIRC3组中显著上调。

研究结论与意义

该研究建立并验证了一个基于MPT驱动坏死相关基因的新型SKCM预后模型。该风险评分可靠地将患者分为高风险和低风险组，具有不同的生存结果。高风险组表现出免疫激活受损、T细胞浸润减少以及对免疫检查点抑制剂的预测反应性降低。在单细胞水平上，肿瘤组织内的T细胞比正常组织具有更高的MPTDNRGS评分，BIRC3表达在从细胞毒性T细胞向免疫抑制性T细胞转变过程中逐渐增加。

研究发现这五个基因面板涵盖了MPT驱动坏死轴互补节点：ENDOG通过其释放和核酸酶活性直接反映线粒体通透性应激；PRKCB整合使线粒体对MPT敏感的红氧化还/NF-κB信号；CASP7体现了线粒体凋亡可转化为炎症性、gasdermin依赖性死亡的执行层；PRF1提供了施加颗粒酶Bid介导的线粒体损伤于肿瘤细胞的外部免疫触发因子；上游的BIRC3(cIAP2)在TNF/RIPK1枢纽决定应激是通过存活、凋亡还是坏死性凋亡解决，并维持NF-κB驱动的炎症。这种从线粒体敏感性和执行到免疫触发因子和TNF检查点控制的多节点覆盖，解释了它们的组合为何能可靠反映SKCM中MPT驱动坏死及其免疫学后果。

该研究的意义在于引入了MPT驱动坏死作为SKCM的预后因素，超越了先前研究的程序性细胞死亡形式如凋亡、铁死亡和焦亡。通过整合批量转录组和单细胞分析，提供了坏死相关信号驱动T细胞功能障碍的汇聚证据。BIRC3表达沿着从细胞毒性到抑制性T细胞的伪时间轨迹增加，揭示了坏死通路与免疫耗竭之间的机制联系。研究还提出了一个结合分子风险评分与传统临床病理因素的临床相关列线图，实现了比单独常规分期更优的预测准确性。

这些发现不仅提供了临床相关的预后工具，而且将坏死相关信号，特别是BIRC3，定位为SKCM中有希望的治疗靶点。将坏死风险模型与空间转录组学或蛋白质组学整合可能阐明坏死应激与免疫抑制之间的空间和分子相互作用。评估MPTDNRGS评分是否可以对联合治疗患者进行分层，包括坏死靶向药物和PD-1/CTLA-4阻断剂，也将是有帮助的。除了SKCM，该框架可应用于坏死在免疫调节中起双重作用的其他免疫原性癌症。