《Translational Oncology》：Integrative bulk and single-cell transcriptomics identifies a HERC5-linked immune-attenuated risk program for pulmonary metastasis/relapse in osteosarcoma
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摘要专业翻译
骨肉瘤是儿童、青少年及年轻成人中最常见的原发性恶性骨肿瘤之一，转移性进展仍是导致不良临床结局的主要因素。本研究旨在开发一种针对肺转移/复发（pulmonary metastasis/relapse, PM/R）的紧凑型转录组风险评分，并解析其相关
摘要专业翻译
骨肉瘤是儿童、青少年及年轻成人中最常见的原发性恶性骨肿瘤之一，转移性进展仍是导致不良临床结局的主要因素。本研究旨在开发一种针对肺转移/复发（pulmonary metastasis/relapse, PM/R）的紧凑型转录组风险评分，并解析其相关的免疫调控程序。研究人员利用TARGET-OS队列（n=87）作为发现数据集，通过LASSO回归构建了一个九基因PM/R风险评分模型，并在GSE21257外部验证队列中评估了其跨队列判别能力。该风险评分在发现队列中显示出较高的表观判别效能（AUC=0.922），在外部验证队列中亦保持中等判别能力（AUC=0.728）。高风险肿瘤表现出抗原呈递、干扰素-γ（IFN-γ）反应、T细胞、CD8 T细胞及NK细胞相关免疫程序的广泛下调，提示存在免疫衰减表型。加权基因共表达网络分析（WGCNA）进一步鉴定出与较低PM/R风险相关的保护性免疫模块基因（如CD38、LCP2、TNFSF13B等）。单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析显示，HERC5在循环细胞、T细胞及髓系/巨噬细胞中表达最为显著；虚拟HERC5敲除分析预测其扰动集中于CD74及多个HLA-II类抗原呈递相关基因。通路与转录因子活性推断表明，高风险肿瘤具有较低的JAK-STAT及IRF/STAT相关调控活性，而缺氧相关信号活性升高。细胞间通讯分析提示SPP1/MIF为中心的通讯轴可能参与微环境重塑。综上，本研究建立了一个具有临床相关性的PM/R风险评分，并提名了一个HERC5连锁的抗原呈递及IRF/STAT相关免疫调控程序，为骨肉瘤肺转移/复发高风险状态的生物学理解及风险分层提供了新的视角。
论文解读
一、研究背景与问题
骨肉瘤是儿童、青少年和年轻成人中最常见的原发性恶性骨肿瘤，转移性进展是导致不良临床结局的主要因素。尽管多模式治疗（包括全身化疗和完整手术切除）已改善了局限性肿瘤患者的疾病控制，但伴有转移或发生复发的患者预后仍不理想。肺是骨肉瘤转移和复发的主要部位，肺转移/复发（PM/R）是治疗失败的核心模式。因此，早期识别PM/R高风险患者对于风险适应性监测、治疗分层和个体化治疗决策具有重要临床意义。
现有临床病理学变量（如诊断时转移状态、肿瘤大小、肿瘤位置和新辅助化疗组织学反应）虽能提供重要的预后信息，但未能充分捕捉骨肉瘤显著的生物学异质性。既往转录组研究虽已构建多种骨肉瘤转移或预后相关基因签名，但多数主要聚焦于总生存期或广泛转移风险，缺乏针对PM/R这一特定失败模式的专门模型，且其生物学解释多局限于bulk转录组水平。此外，骨肉瘤微环境中的抗原呈递、干扰素反应信号和细胞毒性淋巴细胞活性对有效的肿瘤免疫识别至关重要，而这些程序的破坏可能促进免疫逃逸。HERC5作为一种干扰素诱导的E3连接酶，参与ISG化修饰，在固有免疫调控中具有潜在作用，但其与抗原呈递程序及PM/R易感骨肉瘤的关系尚不明确。为此，研究人员开展了本项整合性转录组与单细胞分析，旨在开发PM/R风险评分并解析其潜在的免疫调控机制。
二、研究设计与主要技术方法
本研究为基于公共数据集的回顾性整合性转录组和单细胞生物信息学分析。研究人员使用TARGET-OS队列（n=87，具有明确PM/R状态）作为发现数据集，GSE21257（n=53）作为主要外部验证队列，GSE39055仅用于探索性验证。单细胞分析使用GSE152048（121,579个细胞）和GSE162454（42,708个细胞）两个公共数据集。
主要技术方法包括：使用DESeq2进行差异表达分析；采用LASSO回归构建风险评分模型，并以ElasticNet、RandomForest、SVM-RFE和XGBoost进行特征投票和稳定性评估；使用ssGSEA进行免疫签名评分；WGCNA用于共表达模块鉴定；将bulk来源的风险模型投影至单细胞数据；使用scTenifoldKnk进行虚拟HERC5敲除分析；使用PROGENy和DoRothEA分别推断通路和转录因子活性；使用CellChat推断细胞间通讯；使用Enrichr资源（LINCS和DSigDB）进行计算性药物逆转分析。
三、研究结果
与骨肉瘤肺转移/复发相关的转录组改变。 研究人员在TARGET-OS发现队列中比较了PM/R阳性（n=31）与PM/R阴性（n=56）原发骨肉瘤样本的转录组特征。差异表达分析鉴定出56个显著差异表达基因（31个上调、25个下调）。PM/R阳性肿瘤富集了生物合成和翻译程序（如线粒体基因表达、细胞质翻译、核糖体生物发生），而PM/R阴性肿瘤相对富集免疫相关程序（如II型干扰素反应、淋巴细胞介导免疫、NK细胞介导免疫）。这表明PM/R与增强的翻译/核糖体活性和降低的免疫相关转录程序相关。
九基因转录组PM/R风险评分的构建与外部验证。 通过多算法特征投票和LASSO回归，研究人员构建了包含HERC5、GPR141、SLC45A4、LCN15、MXI1、UCK2、KRTAP13-2、KCNK6和TRABD2A九个基因的风险评分模型。该评分在TARGET-OS中显示较高的判别效能（AUC=0.922），在GSE21257中以七个可用基因实施时保持中等判别性能（AUC=0.728）。随机基因基准分析确认观察到的性能显著优于随机基因集（经验P值分别为0.001和0.023）。留一基因消融分析显示GPR141、SLC45A4和HERC5对模型贡献最大。
PM/R风险评分的临床和预后相关性。 高风险组患者表现出更高的诊断时肺转移、PM/R、任何转移/复发、死亡事件和校正后EFS事件频率。PM/R事件在高风险组显著富集（63.6% vs. 7.0%，OR=22.3）。风险评分对PM/R预测的AUC（0.922）显著优于仅年龄模型（0.537），且加入年龄未显著改善性能。高风险组EFS（HR=3.14）和OS（HR=3.75）均显著较差。表观内部校准显示预测与观察PM/R概率一致性良好（Brier评分=0.107）。
高风险肿瘤显示降低的免疫活性和抗原呈递签名。 高风险肿瘤在抗原呈递、巨噬细胞和M1样巨噬细胞、IFN-γ反应、免疫检查点、T细胞、CD8 T细胞、NK细胞、B细胞、浆细胞和细胞毒性相关程序中均显示较低评分，而增殖和核糖体/翻译相关签名未同步降低，表明高风险状态主要特征是免疫衰减而非整体转录活性丧失。
WGCNA鉴定保护性免疫模块基因。 棕色模块与抗原呈递、CD8 T细胞、IFN-γ反应、T细胞和细胞毒性签名正相关，与连续风险评分负相关。多证据整合策略鉴定出十个严格候选基因（CD38、TRIM22、GBP4、POU2F2、ACSL5、GJA5、SORL1、PDE1B、TNFSF13B和LCP2），这些基因在PM/R阳性肿瘤中普遍下调，并在外部队列中方向一致。
单细胞和虚拟敲除分析提名HERC5相关抗原呈递生物学。 HERC5在循环细胞、T细胞和髓系/巨噬细胞中表达最显著。风险签名投影显示免疫细胞群总体具有较低加权评分，而肿瘤和基质区室相对较高。虚拟HERC5敲除预测的主要扰动基因包括CD74、C1QB、HLA-DPB1、HLA-DPA1、HLA-DRB1、HLA-DRA、CCL3和CCL3L1，富集分析显示抗原呈递基因显著富集。
调控活性和细胞间通讯分析。 高风险肿瘤具有较低的推断JAK-STAT活性和较高的推断缺氧活性。DoRothEA推断显示IRF1、STAT2、RFX5和IRF2活性降低，而EPAS1和HIF1A活性升高。HERC5表达与IRF9、STAT2、IRF1和IRF2推断活性正相关。CellChat分析显示SPP1-整合素/CD44和MIF-CD74/CD44或MIF-CD74/CXCR4为主要推断通讯轴。
探索性计算药物逆转分析。 高风险上调基因的逆转匹配优先考虑MEK/MAPK、CDK、FAK/PYK2和ERBB/EGFR相关扰动剂（如AZD-8330、CGP-60474、alvocidib、PF-562271和neratinib）；保护性下调基因的恢复分析优先考虑SRC/ABL、JAK、ALK、mTOR和IKK/TBK1/NF-κB相关扰动剂（如saracatinib、CYT387、NVP-TAE684、OSI-027和TPCA-1）。
四、讨论与结论
本研究开发了一个针对骨肉瘤PM/R的九基因转录组风险评分，该评分不仅具有较高的判别效能，还与PM/R负担、EFS和OS密切相关，提示其捕捉了具有临床意义的高风险疾病生物学。机制上，高风险肿瘤表现出广泛的免疫相关转录程序衰减，特别是抗原呈递、IFN-γ反应和淋巴细胞相关签名。WGCNA、单细胞投影和虚拟HERC5敲除分析提名了HERC5连锁的抗原呈递程序，而通路、转录因子和细胞间通讯推断将该高风险状态与降低的JAK-STAT/IRF活性和改变的SPP1/MIF中心微环境通讯联系起来。
研究结论指出，PM/R易感骨肉瘤可能以涉及转移风险、免疫衰减和微环境重塑的协调转录组状态为特征。该风险评分可作为常规临床评估的转录组补充工具，用于识别具有较高PM/R负担和较差生存的肿瘤。HERC5连锁的抗原呈递和IRF/STAT相关免疫调控程序为理解高风险骨肉瘤的免疫逃逸机制提供了新的视角，并为未来的治疗策略开发提供了潜在的靶点方向。
