Cancer Cell | 单细胞分析发现前列腺癌骨转移免疫抑制点CCL20/CCR6

原创 存在一棵树 图灵基因 今天

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：存在一棵树

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本文使用高分辨率比较分析定义骨髓 (BM) 微环境的不同特征，并发现CCL20/CCR6信号轴参与骨转移性前列腺肿瘤免疫抑制，阻断它会减轻T细胞衰竭表型并提高动物的存活率。

2021年10月15日，哈佛干细胞研究所的Peter V. Kharchenko团队在《Cancer Cell》上发表了一篇名为“Human prostate cancer bone metastases have an actionable immunosuppressive microenvironment”的文章。本文系统地收集了在脊髓压迫的情况下通过手术切除的肿瘤组织、骨髓样本用于细胞分离、表型分析和单细胞RNA 测序(scRNA-seq)表达分析，以评估该环境中的免疫、肿瘤和基质细胞群。

骨转移是癌症的毁灭性并发症，其在前列腺癌(PCa)中特别常见。骨髓 (BM) 是一种主要的造血器官，代表了多种类型免疫细胞的独特储存库，先天性骨髓免疫在肿瘤微环境中的关键作用远远超出其吞噬作用和抗原呈递的经典作用。但目前对骨髓细胞异质性和可塑性尚不完全了解，阻碍了发现向改善疾病结果的有效方法。

该团队通过针活检进行骨取样，平均每个样本产生 2,490 个细胞，每个细胞平均检测3,952 个分子，使用 Conos 算法整合所有样本。如图1所示，揭示了丰富的免疫细胞库和HSC/祖细胞群的持续造血，从而产生 B 细胞、单核细胞和红细胞谱系；基质细胞亚群主要集中在肿瘤组织中，包括内皮细胞、周细胞、成骨细胞和破骨细胞，以及肿瘤细胞本身。

根据关键 PCa 标志物（KLK4、KLK2、AR）的表达对肿瘤细胞进行注释，发现肿瘤细胞表现出强烈的患者特异性表达差异。对肿瘤内异质性的分析揭示了共有肿瘤细胞变异的四个主要方面，其中三个方面反映了与蛋白质、核酸和核糖体代谢相关的代谢活动的变化，另一方面是由与细胞分化和 AP-1 信号传导相关的基因转录驱动的，包括IER2、JUNB和SOX4，这些都已被证明有助于转移细胞的运动和侵袭。

在某些癌症中，髓系细胞会促进肿瘤发展，这里对髓系隔室的重点检查显示良性和恶性部分之间存在大量转移。如图2所示，在肿瘤样本中观察到显著的肿瘤炎性单核细胞(TIM) 和肿瘤相关巨噬细胞 (TAM) 群体，其中TAM 群体具有 M2 巨噬细胞的表达模式特征，其已被证明可抑制多种肿瘤的抗肿瘤免疫反应；TIM 具有促炎性单核细胞特征，高表达促炎细胞因子，如 IL-1B 和肿瘤坏死因子，以上意味着在肿瘤组织中，髓样细胞向炎性单核细胞和抑制性巨噬细胞转变。与所有其他检查的癌症相比，PCa 转移中的TIM 群体显示出明显更强的炎症特征；且原发性PCa与骨转移病灶中的细胞因子标志物表达也存在差异，原发性PCa中可观察到的TNF、IL1A或CCL3 / CCL4 的表达，但在转移病灶中不存在。

如图3所示，该团队对骨转移中功能失调的细胞毒性T淋巴细胞(CTL )亚群的详细分析揭示了预期的亚群，CD4+ TH 和 Tregs 和 CTL，以及 NK 和 NKT 细胞。其中CTL 可以进一步细分为两种亚型：表达 CTL-1 的效应 T 细胞基因，例如 KLRG1、GZMK 和其他细胞毒性介质；而 CTL-2 的特征是效应/记忆样转录谱，包括 IL7R 和 KLRB1。与远端和骨髓转移部分相比，肿瘤部分CTL 和 TH/TH1/17 群体的比例显着增加，而其他 T 细胞类型在肿瘤中保持不变（如Tregs）或减少（如幼稚T细胞），这些 T 细胞亚群的功能状态也受到影响，即肿瘤部分中的 CTL-2 表现出细胞毒性表达特征降低和明显的T 细胞耗竭特。NK 细胞群显示出互补模式，在远端和骨髓转移样本中具有高丰度，但在良性和肿瘤样本中没有，意味着NK 细胞虽然可以被募集到骨转移的一般区域，但它们可能无法浸润肿瘤。

在肿瘤附近观察到的细胞毒性缺陷可能是由其他免疫细胞的抑制作用引起的，这里团队发现转移部位 TAM 比例的增加与 CTL-2 耗竭相关，并通过筛选配体和同源受体数据库识别特定信号通道。已有研究表明CCL20 信号可以通过募集 Tregs 和/或 TH17 细胞来促进肿瘤生长、侵袭性和化学抗性；且CCL20 已被证明在原发性 PCa 肿瘤细胞和肿瘤微环境内的基质成纤维细胞中表达。如图4所示，在肿瘤部分的 TIM 和 TAM 细胞内表达的细胞因子中，CCL20是表达最高的细胞因子之一，其同源受体 CCR6主要在 Treg和 T H 1/17 细胞上表达，但在转移样本中CCL20 由 TIM 和 TAM 群体表达，肿瘤细胞中不表达。总体而言，CCL20-CCR6 轴在人类 PCa 骨转移中的直接作用尚不清楚。

为了研究CCL20-CCR6 信号轴在 PCa 骨转移中的影响，团队开发了一种基于来自C57BL/6 RM1 PCa 细胞的 RM1-BM 细胞系的同基因小鼠模型。如图5所示，使用该模型证明与对照相比，CCR6 的缺失提高了携带骨转移瘤的小鼠的存活率；且CCR6-KO CTL 显示出与其未感染肿瘤的对应物类似的耗竭特征，即在抑制 CCR6-CCL20 信号传导后，CTL 活性在肿瘤部位不受阻碍。表明CCR6-CCL20 轴的阻断抵消了骨转移性肿瘤微环境中的免疫抑制，可缓解 T 细胞耗竭并提高存活率。

综上所述，该团队通过分析的独特样本集提供了人类骨转移性PCa及其对 BM影响的高分辨率景观；并表明转移性 BM 与骨关节炎患者或健康 BM 对照的免疫激活状态不同；还通过计算启发式确定了可能允许肿瘤特异性髓细胞群和 T 细胞之间通信的潜在配体-受体对，CCL20/CCR6，该信号轴的阻断可减轻T细胞衰竭表型并提高动物的存活率。以上提出了抑制 T 细胞上游激活信号可以解决癌症免疫抑制的普遍前景。

教授介绍

Peter V. Kharchenko，医学博士，现任哈佛医学院生物医学信息学中心副教授。其在哈佛大学获得生物物理学博士学位，在George Church 的指导下研究基因调控和代谢网络；然后在彼得帕克实验室完成了为期四年的计算生物学和基因组学博士后研究。其课题组旨在开发必要的定量工具，以分析和建模的细胞状态与现代基因组测定，包括对嘈杂数据的统计分析、对给定样本中细胞潜在变异的随机过程的描述，以及细胞合奏和组织组织的模；主要方法和生物学方向有单细胞测量、肿瘤内异质性研究、表观遗传调节。

参考文献

1、Youmna Kfoury, Ninib Baryawno, Nicolas Severe, et al. Human prostate cancer bone metastases have anactionable immunosuppressive microenvironment. Cancer Cell. 2021, ISSN1535-6108.