最新10+生信，基于单细胞数据分析Cancer–testis基因

影响因子：10.3

研究概述：癌症/睾丸抗原（CTAs）是一类独特的蛋白质，在健康的成年人中，这些抗原仅限于睾丸的生殖细胞。由于DNA去甲基化的丧失也是癌症发展的一个标志，CTAs在多种癌症类型中广泛表达。CTAs最初是基于其在肿瘤中的免疫原性被发现的。随后的研究明确证明了这些蛋白质中有许多能够激发自发的CD4+和CD8+ T细胞反应，并产生具有细胞毒性的T细胞。这突显了CTAs固有的免疫原性及其作为免疫治疗干预靶点的潜力。因此，目前已经进行了大量只对于黑色素瘤或肺癌的临床试验（如NY-ESO-1和MAGE-A）。其中在这些试验中规模最大的是双盲、随机的MAGRIT III期研究，2,272名MAGE-A3阳性的非小细胞肺癌（NSCLC）患者接受了重组MAGE-A3联合AS15佐剂或安慰剂的治疗。不幸的是，这项及其他CTA疫苗接种试验未能带来明显的临床收益。最近，采用基因工程改造的表达CTA特异性T细胞受体的T细胞的过继细胞转移（ACT）已经进入临床测试。尽管一些患者表现出显著的反应，但这些效果通常是短暂的；在大多数患者中根本没有效果。因此，尽管CTAs作为癌症免疫治疗靶点具有潜力，但仍然需要改进的治疗方法，以克服治疗抵抗的挑战。以往的研究表明，CTAs在肿瘤中的表达具有异质性，这给开发针对特定CTAs的有效疫苗或ACT治疗带来了巨大的挑战。因此在本研究中，作者采用单细胞测序来表征黑色素瘤和肺癌中CTAs的肿瘤内表达模式。这对于未来设计基于CTAs的免疫治疗具有重要意义。

**Cancer–testis基因是潜在的肿瘤疫苗靶点。目前已经有一些高分文章鉴定出Cancer–testis基因。这样的话就可以进行后续各种各样的生信分析。

研究结果：

scRNA-seq揭示了黑色素瘤和肺癌中CTA基因在肿瘤内广泛的转录异质性

与之前的研究一致，免疫组织化学分析选定的CTAs（如GAGE、MAGE-A、MAGE-C1、NY-ESO-1、PRAME和SSX）显示出在黑色素瘤（图1A）和肺癌中表达的高度异质性。为了全面了解这些恶性肿瘤中CTA的表达模式，作者进行了肿瘤细胞的目标CTA scRNA-seq表达谱分析。首先，作者检查了来自黑色素瘤肿瘤的七种原代细胞培养物，这些培养物代表了不同患者群体，包括男女，年龄在44到85岁之间。黑色素瘤细胞从原发性肿瘤（YUDOSO、YUPEET、YUTOGS和WW165）和转移性病变（YUKSI、YUSIT、YUSIF）中分离，这些肿瘤携带不同的驱动突变。对81个CTA基因的分析显示，CTAs在不同肿瘤中的表达存在差异，每个肿瘤中表达的基因数量从26到37不等（图1B）。每个来自这七种不同黑色素瘤的癌细胞都表达了一个或多个CTA基因（图1C），这突显了CTA在黑色素瘤中的普遍存在性以及这些抗原作为该疾病免疫靶向的潜力。然而，观察到不同肿瘤之间单个细胞表达的CTA基因平均数量存在显著差异，范围从7（YUSIV）到21（YUDOSO）（图1D）。在原发性肿瘤和转移瘤之间，平均表达的CTAs数量没有显著差异（图1D）。在每个肿瘤内，个体细胞表达的CTA基因平均数量明显低于肿瘤中表达的CTA基因总数（图1B，D）。单个CTA基因的表达通常限于癌细胞的亚群（图1H）。例如，主要的肿瘤靶点NY-ESO-1（由CTAG1B编码）在七个肿瘤中有三个（YUDOSO、YUTOGS和YUSIT）中检测到，阳性细胞的比例分别为1%、48%和66%（图1J）。类似地，其他具有治疗潜力的CTAs，如SSX1、MAGE-A1、MAGE-A10、MAGE-C2、XAGE-1B和PAGE-1，也在其表达中表现出显著的肿瘤内异质性（图1H，J）。总体而言，在检测到的71个CTA基因中，64个表现出局限于肿瘤细胞亚群的表达。剩余的七个CTAs显示出不同程度的在黑色素瘤中均匀表达的趋势。此外，MAGEA2、MAGEA3、MAGEA6和MAGEA12组成了MAGE-A基因的一个进化保守亚群，在部分转移性肿瘤（YUSIT和YUKSI）中均匀表达（图1H，J）。GAGE2和GAGE12在部分黑色素瘤中也表现出均匀的表达（YUDOSO和YUKSI），并且在所黑色素瘤中普遍表达（图1H，J）。这些结果表明癌细胞之间CTA表达的差异并不是由于基因转录的时间变化所引起的。

肿瘤中CTA表达的缺乏导致了癌症抗原谱的多样性

上文提及，作者在不同癌症类型的肿瘤中，已经证明了CTAs的共表达。为了进一步表征黑色素瘤和肺癌肿瘤内CTA基因表达的景观，并识别潜在的CTA表达之间的关联，作者进行了scRNA-seq数据的UMAP降维分析。UMAP降维识别出了在CTA表达上存在差异的细胞亚群，以及一些特定CTAs表达之间的关联（图2A-E）。然而，这些亚群显示出较差的分离性，并且CTA表达上存在显著的重叠，表明同一肿瘤内癌细胞之间的CTA表达缺乏强有力的转录差异和协调性。事实上，无论什么CTAs类型，还是在男性生殖细胞发育的同一阶段（例如，GAGE、MAGE-A、CTAG1B和SSX在精原细胞中的表达）的CTAs，表达之间的重叠性都很小（图3A）。这表明肿瘤内癌细胞中CTA表达谱存在高度的变异性，意味着黑色素瘤和肺癌是由具有多样抗原谱的复杂肿瘤细胞组成的。与此一致，单个癌细胞的CTA表达谱的直接比较显示出了非常高的多样性（图3B-C）。与黑色素瘤相比，肺癌在CTA表达上表现出较低的复杂性，这反映了CTA表达的较低普遍性（图3B-C）。

最后，为了全面研究CTAs之间可能的转录关联，作者进行了它们表达模式的成对比较（图4A）。虽然大多数CTAs的表达没有显示出显著的相关性，但某些特定的子集在肿瘤内表现出了共表达。这种有趣的关联在进化和结构上高度相关的基因中尤为明显，暗示着这些基因可能受共同的转录因子调控或保存在相同的调控区域内。例如，MAGEA2、MAGEA3、MAGEA6和MAGEA12，这些基因在X染色体上形成了一个独特的MAGE-A基因簇（图4B），在YUPEET肿瘤细胞中表现出显著的重叠表达（图4C-D），这一特性在其他MAGE基因中并不明显（图4E）。类似的表达模式也在其他肿瘤中的MAGEA2、MAGEA3、MAGEA6和MAGEA12基因中观察到（图4F），以及与其他相关CTA基因，如PAGE家族成员（图4G）中观察到。在不同基因家族的基因之间，偶尔也会出现共表达现象（图4A）。重要的是，CTAs基因子集之间的这些关联在不同肿瘤中并不一致。这种差异可以归因于不同肿瘤中染色质组织的差异，导致了CTA基因调控区的变化。

研究总结：

这篇文章深入探讨了CTAs在黑色素瘤和肺癌中的表达特征，揭示了其在肿瘤内的广泛转录异质性。文章通过单细胞测序技术，对黑色素瘤和肺癌样本中的CTA基因表达进行了详细分析，发现CTAs在肿瘤细胞中的表达模式极其复杂，表现出高度的肿瘤内异质性。研究表明，尽管每个肿瘤细胞至少表达一个CTA基因，但大多数个别CTAs的表达仅限于肿瘤细胞的亚群。例如，尽管NY-ESO-1和MAGE-A等已广泛用于治疗的CTAs在黑色素瘤和肺癌中确实存在，但它们的表达并不一致，往往局限于少数肿瘤细胞群体。这种异质性意味着这些CTAs作为免疫治疗靶点的应用可能面临挑战，因为肿瘤内的抗原阴性细胞可能会逃逸治疗并导致复发。进一步的分析揭示了某些CTAs之间的共表达现象，尤其是在进化和结构上密切相关的基因之间，如MAGE-A家族基因。这些基因在某些肿瘤细胞中表现出显著的表达重叠，提示可能受共同的转录因子调控。总的来说这篇文章锚定在了一个比较有意思的临床角度，做了工作量不小的单细胞数据分析，与普通‘套路化’的单细胞测序文章不同，让人感觉这篇文章确确实实存在临床意义，值得学习。