Science揭示人类癌症B细胞图谱

生信人 · 公众号 · 生物 · 2024-11-08 07:00

正文

肿瘤浸润B细胞在肿瘤免疫中发挥重要作用，能够作为免疫治疗应答的预测因子。因此，分析不同癌症中B细胞的丰度和分化状态可能改善免疫治疗反应。小编今天和大家分享一篇今年五月刚刚发表在SCIENCE(IF: 56.9)杂志上全面分析人类癌症浸润B细胞的文章。该文章绘制了人类癌症浸润B细胞(TIBs)的图谱，揭示了TIBs的不同发育模式及其对肿瘤免疫的调控作用，为基于B细胞开发肿瘤免疫治疗策略提供了重要基础。

一．文章摘要

文章全面分析了20种癌症中269例患者的肿瘤、淋巴结转移灶、邻近正常组织和外周血样本的scRNA-seq数据。研究首先整合了B细胞受体(BCR)测序和基因表达数据，对B细胞和抗体分泌细胞(ASCs)间的动态转化进行了详细刻画。接着研究基于不同癌症B细胞的单细胞染色质可及性数据(scATAC-seq)，分析了调控B细胞发育的表观网络。此外，研究也将B细胞定位在成熟和未成熟的三级淋巴结构(TLSs)中，并研究B细胞特异性反应的潜在调控因子。研究发现B细胞和浆细胞具有显著异质性，并识别出15个B细胞亚群和10个浆细胞亚群。研究也计算并验证了经典生发中心(GC)和替代的滤泡外(EF)两种独立的具有癌症类型偏好的ASCs发育路径。最后研究证实EF为主的癌症中非典型记忆(AtM)B细胞与免疫应答失调和较差的临床结局相关。

人类泛癌B细胞图谱的系统分析

二．文章主要内容及结果

1.人类癌症浸润B细胞的转录组图谱及多样性

文章首先总体刻画了人类癌症浸润B细胞的转录图谱，并分析了B细胞转录多样性。文章筛选了TCGA中B细胞评分较高的癌症进行采样，从66例患者的153份肿瘤、淋巴结转移、癌旁和外周血样本中分选了CD19⁺B细胞，并进行配对单细胞RNA测序和单细胞B细胞受体测序(scBCR-seq，图1A)。整合其他已发表的公共数据后，研究最终建立了来自20种癌症的269名患者的477个样本的单细胞转录图谱。经过质量控后，研究共纳入474,718个B细胞的转录数据，以及来自15种癌症的61名供者的共计166,733个细胞的scBCR-seq数据。研究接着识别了15个B细胞亚群(图1B)，其中包括1个naïve B细胞，3个活化B细胞(ACBs)、1个Bm、3个GC B细胞和2个ASCs(图1C)。接下来研究观察到TIBs比非肿瘤浸润B细胞含有更多的IGHG和IGHA，而血液中B细胞富含IGHD和IGHM(图1D)。研究通过比值比(OR)分析也观察到HSP⁺ B细胞、EGR1⁺ ACBs和浆母细胞(PBs)表现出强烈的肿瘤倾向性；MT1X⁺ B细胞、循环GC B细胞、前GC B细胞、GCLZ、GCDZ和IFIT3⁺ B细胞在淋巴结转移中显著富集；TCL1A⁺ naïve B细胞和DUSP4⁺ AtM B细胞在血液中最高；MZB1⁺ 浆细胞(PCs)在癌旁组织中占优势(图1E)。TIBs也被观察到具有显著更多的IGH突变，GC B细胞和两个ASC亚群也表现出肿瘤特异性克隆扩增(图1F)。

图1 B细胞在人类癌症中的单细胞分析

2.肿瘤浸润性抗体分泌细胞的异质性和两种发育路径

文章接着对终末分化B细胞ASCs的异质性进行了分析。研究首先在ASC区域识别了10个具有特定基因特征和组织分布的PC亚群(图2A和B)。其中，PC04、PC05和PC08在肿瘤中占优势，PC09和PC10在癌旁正常组织中聚集，PC02在淋巴结转移中普遍存在；PC01和PC07也在淋巴结转移和血液中富集程度相似；PC03在在淋巴结转移和肿瘤中分布相当，PC06也相似地分布在肿瘤和癌旁组织中(图2C)。研究接着基于BCR克隆共享和无监督聚类发现AtM和Bm细胞是两个主要的与ASCs共有克隆的B细胞，这表明ASCs可能起源于肿瘤微环境(TME)中经典GC和替代EF路径(图2D)。为了验证这一点，研究分选了来自肝细胞癌(LIHC)患者的肿瘤浸润的naïve B、Bm和AtM B细胞，并使用体外B细胞分化方法进行刺激，结果观察到AtM B细胞分化为ASCs的效率高于naïve B细胞，但低于Bm细胞(图2E和F)。研究还发现preGC, GC循环,和GC_LZB细胞与PBs分享BCR，IFIT3⁺B、HSP⁺ B和EGR1⁺ ACBs也与PBs共享BCR(图2G)。此外，研究也观察到尽管GC和EF路径具有明显的患者和癌症类型偏好，但这两种路径在个体患者和癌症中均可观察到，这表明GC和EF反应是ASCs分化的普遍路径(图2H)。进一步研究观察到肿瘤EF来源ASCs的体细胞高突变(SHM)显著低于GC来源的ASCs(图2I)。EF来源的ASCs也含有高干扰素诱导的免疫球蛋白G (IgG)，以及更高的IGHM富集，且在癌旁组织和血液中没有发生转换重组(CSR，图2J)。GC来源的ASCs也在肿瘤、癌旁和血液中表现出显著较高的扩增和CSR(图2K)。研究推断分化状态后观察到GC来源的ASCs倾向于处在终末分化阶段，EF来源的ASCs则处于早期阶段(图2L)。研究也揭示了EF和GC来源ASCs间的BCR库和转录特征的差异，突出了它们在抗肿瘤反应中的独特作用(图2M)。

图2 浆细胞在人类癌症中的两条发育路径

3.调控元件在表观遗传学上平衡EF和CG路径

文章接着分析了调控EF和CG路径的因素。研究基于配对的scRNA-seq和scATAC-seq数据分析TIBs，结果观察到8个B细胞亚群，包括naïve、ACBs、Bm、AtM、GC和PC亚群(图3A-C)。研究通过分析TF也确定了B细胞亚群间共享和特异的调控模式(图3D-F)。这些结果揭示了一个动态的表观调控网络，该网络在癌症生态系统中能够对B细胞的分化和选择进行微调(图3G)，这些结果也证明了TF在调控EF和GC路径平衡方面的基本作用。

图3 人类癌症中EF和GC路径的单细胞表观基因组图谱

4.EF AtM B细胞具有耗竭表型独立于GC

文章接着分析了EF路径主要祖细胞AtM B细胞的表型和功能。研究首先观察到肿瘤浸润的AtM B细胞中CD27、CD38、IRF8和SDC1的表达降低，同时与Bm细胞相比PRDM1、IRF4和XBP1的表达增加，XBP1是已知的能够抑制B细胞增殖并促进向ASCs分化的基因，这些结果表明AtM具有向ASCs分化的潜能(图4A)。此外，研究也观察到AtM B细胞也高表达BCR信号(SYK)、免疫调节和激活基因(图4B)。研究也观察到来自AtM B细胞的ASCs能够产生较高水平的自身抗体(图4C)。接下来研究通过伪时序轨迹分析也发现AtM和GC B细胞在两个独立的分支上完全分离，起始分支为naïve B细胞，末端分支为AtM(路径1)和循环GC B细胞(路径2)(图4D)。沿着这一轨迹，高亲和力特征评分和CD24、CD38、SELL在路径2中逐渐上调，而低亲和力和耗竭相关特征评分相关基因在路径1中相应上调(图4E)。总的来说，这些结果表明AtM和GC B细胞经历了独立的发育过程，进而衍生出EF和GC ASCs。

图4 AtM B细胞在人类癌症中的不依赖GC发育

5.EF B细胞存在于未成熟的三级淋巴结构中

文章接着分析了三级淋巴结构(TLSs)与TIBs尤其是AtM B细胞间的空间结构和关系。文章首先筛选了来自LIHC和COAD不同TLS的全组织切片，接着根据T和B细胞的细胞数量以及fDC染色将TLSs分为四个阶段(图5A)，结果观察到AtM B细胞显著富集于未成熟的TLSs，而Bm主要位于成熟的TLSs(图5B和C)。研究接着在空间上计算了AtM B细胞在TLSs或滤泡内外的密度以及AtM B细胞到界面的距离，结果观察到AtM B细胞主要位于未成熟TLSs的中心(图5D和E)。此外，研究也观察到AtM B细胞与PD1^Hi耗竭T细胞呈正相关(图5F)。研究通过配体受体分析细胞互作也观察到PD1^HiCD4⁺ Tph细胞和AtM B细胞间存在交互，这一结果表明PD1^HiCD4⁺ Tph细胞在促进AtM B细胞分化方面具有潜在作用(图5G)。研究通过分析已发表的空间转录组学数据集也观察到CD4⁺ PD1^Hi Tph和AtM B细胞在TLSs中呈正相关(图5H和I)。与非TLS区域相比，在靠近AtM B细胞的TLS区域也观察到CD4⁺ PD1^Hi Tph细胞密度和频率显著较高(图5J和K)。为了验证这一点，研究分选了LIHC浸润的PD1^HiCD4⁺外周辅助T细胞(Tph)、辅助性T细胞(Th)和调节性T (Treg)细胞，并与健康供者的外周总B细胞或分选的naïve B细胞共培养(图5L)，结果发现Tph细胞比Th和Treg细胞更有效地诱导AtM B细胞分化，而IL-21R阻断显著减弱了这一作用(图5M)。总之，这些数据表明肿瘤浸润的Tph细胞显著促进了AtM B细胞的分化。

图5 AtM B细胞聚集在未成熟的TLS中由Tph通过IL-21-IL-21R轴诱导

6.谷氨酰胺代谢建立了EF AtM B细胞的表观遗传特征并影响患者临床结局

文章接着研究了机制上驱动EF和GC路径响应的因素。研究首先计算Bm和AtM B细胞的代谢通路评分，结果观察到谷氨酰胺、谷氨酸和鞘脂代谢在肿瘤浸润的AtM B细胞中上调，而花生四烯酸代谢在Bm细胞中显著上调(图6A)。因此，研究假设谷氨酰胺代谢可能在TME启动EF反应中起潜在作用。为了验证这一假设，研究从健康血液中收集B细胞，并用R848 (TLR7激动剂)、IFNg和谷氨酰胺刺激这些细胞，结果观察到谷氨酰胺显著诱导AtM分化，而谷氨酰胺酶(GLS)抑制能够显著减弱AtM分化(图6B和C)。此外，研究也监测了谷氨酰胺刺激下B细胞的氧消耗率和三磷酸腺苷(ATP)生成，结果观察到整体线粒体呼吸和糖酵解减少(图6D)。这表明谷氨酰胺可能重塑B细胞的代谢特征，从而使B细胞向AtM B细胞分化。接下来研究分析了¹³C标记的谷氨酰胺经过R848处理后的代谢命运，结果发现谷氨酰胺被催化生成谷氨酸，并进入三羧酸(TCA)循环(图6E)。此外，研究也观察到谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸(a-kg)可以直接调节AtM分化(图6F)。研究通过分析ATAC-seq和RNAseq数据也发现谷氨酰胺处理的B细胞存在稳定的AtM激活(图6G)。通路富集分析也再次证明了这一结构(图6H)。此外，研究也发现与Bm和naïve B细胞相比，肿瘤浸润的AtM B细胞中phospho-mTORC1及其下游靶点的水平显著增加，这表明mTORC1信号通路可能参与谷氨酰胺的调控(图6I和J)。研究也发现抑制mTORC1通路能够显著降低谷氨酰胺刺激下的AtM分化(图6K和L)。接下来，研究使用谷氨酰胺将外周B细胞诱导为AtM，并在体外与外周CD3⁺ T细胞共培养，结果发现AtM B细胞可以降低扩散CD4⁺和CD8⁺ T细胞(图6 M)，并影响T细胞产生IFNg、肿瘤坏死因子的能力(图6N)。最后，研究分析了Bm和AtM B细胞在癌症中的预后价值，结果发现Bm细胞与良好预后相关，而AtM B细胞与较差的生存期相关(图6O)。此外，在已发表的抗PD1治疗的黑色素瘤和肺癌队列中，也观察到AtM B细胞的丰度与治疗耐药显著相关，而Bm细胞与改善的应答和更长的生存期相关(图6P和Q)。总之，这些结果表明，EF来源的B细胞与不成熟的TLSs和耗竭的T细胞相关，导致某些癌症的免疫治疗耐药和预后不良。

图6 谷氨酰胺促进AtM B细胞分化获得免疫调节功能

到这里文章的主要内容就介绍完了。总结一下，该文章整合了泛癌的单细胞转录数据、BCR数据和基因组等多组学数据，全面绘制了人类泛癌B细胞图谱，并从多个角度刻画了肿瘤浸润B细胞的异质性、调控机制，以及动态分化路径的潜在机制。该文章为研究癌症B细胞提供了重要参考，也为基于B细胞改善肿瘤免疫治疗提供依据及思路。

更贴合临床的生信分析定制