Az APOBEC-mutációs szignatúra, az APOBEC3 gének expressziója és csíravonalbeli deléciója, valamint az immunogenitás integratív genomikai elemzése több ráktípusban

Az APOBEC3 gének elkülönülő mintázatai, az APOBEC-mutációs szignatúrával összefüggésben több ráktípusban

Az APOBEC-mutációs szignatúra korábbi elemzését követve a mutációkat a TCW trinukleotid motívumon belül T-re vagy G-re megváltozott C-deamináz mutációk számával mértük minden egyes mintában, 10 ráktípuson keresztül (lásd Módszerek). Egyváltozós elemzéseket végeztünk az APOBEC-mutációs szignatúra és az APOBEC3A és APOBEC3B általános génexpressziós szintjeinek összefüggéseinek értékelésére. Megfigyeltük, hogy az APOBEC3A expressziós szintje összesen hat ráktípusban – hólyag, emlő, méhnyak, tüdő adenokarcinóma, fej és nyak, valamint pajzsmirigy – pozitívan társult az APOBEC-mutációs szignatúrával. A többi ráktípusban nem észleltek szignifikáns asszociációt, bár ugyanazokat az asszociációs irányokat figyelték meg (Additional file 1: S1 táblázat). Érdekes módon megfigyeltük, hogy az APOBEC3B expressziós szintje pozitívan társult az APOBEC-mutációs szignatúrával minden ráktípusban, kivéve a tüdő laphámrákot (Additional file 1: S1 táblázat). Az APOBEC3A asszociációkkal összehasonlítva az APOBEC3B specifikusan társult az APOBEC-mutációs szignatúrával gyomor-, hasnyálmirigy- és veserákban, P = 5,2 × 10- 11, P = 2,0 × 10- 3, illetve P = 1,1 × 10- 4 értékkel (Additional file 1: S1 táblázat). Ezek az eredmények összhangban voltak a korábbi vizsgálatokkal. Ezenkívül értékeltük az APOBEC-mutációs szignatúra és más APOBEC3 gének génexpressziójának összefüggéseit is: APOBEC3C, APOBEC3D, APOBEC3F, APOBEC3G és APOBEC3H. Eredményeink azt mutatták, hogy ezeknek a géneknek az expressziója az APOBEC-mutációs szignatúrával összefüggésben különböző ráktípusokban változott (Additional file 1: S2. táblázat). Például az APOBEC3C expressziója fokozott APOBEC-mutációs szignatúrával társult a méhnyakrákban és a fej-nyakrákban, míg expressziója csökkent APOBEC-mutációs szignatúrával társult a gyomorrákban. Eredményeink azt is kimutatták, hogy az APOBEC3D, APOBEC3F és APOBEC3G expressziója fokozott APOBEC-mutációs szignatúrával társult, míg az APOBEC3G társulásból származó eredmény összhangban volt a korábbi megállapításokkal . Érdekes módon megfigyeltük, hogy az APOBEC3H expressziója fokozott APOBEC-mutációs szignatúrával társult a méhnyakrákban, de nem volt megfigyelhető az emlőrákban.

Az APOBEC3A és APOBEC3B izoformák megkülönböztetett mintázatai, amelyek az APOBEC-mutációs szignatúrával társultak több ráktípusban

Megvizsgáltuk továbbá az APOBEC-mutációs szignatúra és az egyes APOBEC3A és APOBEC3B átírt izoformák expressziós szintjei közötti összefüggéseket. Összesen hat izoformát elemeztünk, köztük az APOBEC3A-ból átírt uc003awn és uc011aob, az APOBEC3B-ből átírt uc003awo, uc003awp és uc003awq, valamint egy másik izoforma, az uc011aoc, amely az APOBEC3A utolsó intronjától az APOBEC3B utolsó exonjáig terjedő régiót érintő fúziós eseményből származik (1a, b ábra). Megerősítettük, hogy az uc003awn és uc003awo izoformák elsősorban az APOBEC3A és az APOBEC3B transzkripciójából íródtak át (Additional file 1: S1 ábra) . A várakozásoknak megfelelően mind az uc003awn, mind az uc003awo expressziós szintjének és az APOBEC-mutációs szignatúrának az asszociációs iránya összhangban volt az összes ráktípusra vonatkozó általános génexpressziós szintek megfigyeléseivel (1c, d ábra; 1. kiegészítő fájl: S3 táblázat). Meglepő módon az uc011aoc (APOBEC3A/B) expressziós szintje csak az emlőrák esetében volt pozitív kapcsolatban az APOBEC-mutációs szignatúrával (P = 5,0 × 10- 10) (1e. ábra; 1. kiegészítő fájl: S3 táblázat). A többi izoforma esetében azonban egyik ráktípusban sem figyeltek meg összefüggést, kivéve az uc011aob (APOBEC3A) esetében megfigyelt gyenge összefüggést a fej- és nyakrákkal (P = 0,02; 1. kiegészítő fájl: S3 táblázat).

Az APOBEC3A és az APOBEC3B összes izoformáját tartalmazó többszörös regressziós elemzések segítségével, azt találtuk, hogy az uc003awn (APOBEC3A) és az uc003awo (APOBEC3B) expressziós szintje függetlenül és közösen társult az értékelt APOBEC-mutációs szignatúrával több ráktípusban: Az uc003awn esetében marginális asszociáció mutatkozott: hólyag (marginális asszociáció az uc003awn esetében), emlő, méhnyak, tüdő adenokarcinóma, valamint fej és nyak (1. táblázat). Hasonlóképpen, az uc011awn (APOBEC3A) esetében további asszociációt figyeltek meg pajzsmirigyrákban, míg az uc003awo (APOBEC3B) esetében gyomor-, hasnyálmirigy- és veserákban. Az egyváltozós elemzéssel összhangban az uc011aoc (APOBEC3A/B) és az APOBEC-mutációs szignatúra között feltűnő asszociációt figyeltek meg emlőrákban (P = 5,3 × 10- 11), és további asszociációt figyeltek meg tüdő adenokarcinómában (P = 0,01) (1. táblázat). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy az uc011aoc szövetspecifikus szerepet játszik az APOBEC-mutációs szignatúra befolyásolásában elsősorban az emlőrákban, míg az uc003awn és az uc003awo ubiquitárius, de eltérő szerepet játszik a humán rákok teljes spektrumában. Figyelemre méltó, hogy további elemzésünk kimutatta az uc011aoc izoforma és az APOBEC3A közötti pozitív expressziós korrelációt a rákos daganattípusok többségében, különösen az emlőrákban (Additional file 1: Table S4).

Kiegészítésképpen klinikai altípusok szerint rétegzett asszociációs elemzést végeztünk emlőrákban. Megfigyeltük, hogy az uc003awn (APOBEC3A) és az uc011aoc (APOBEC3A/B) izoformák és az APOBEC-mutációs szignatúra asszociációja a különböző klinikai altípusok között változott, a legjelentősebb asszociációt a LumA altípusban figyeltük meg (Additional file 1: Table S5).

A csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció hatása az APOBEC3A és APOBEC3B gének izoformáinak expressziós szintjére

Megvizsgálni, hogy a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció hogyan befolyásolja az APOBEC3A és APOBEC3B izoformák expresszióját, először 30 olyan mintát azonosítottunk, amelyekről előre jelezték, hogy homozigóta deléciót hordoznak, 239 olyan mintát, amelyekről előre jelezték, hogy heterozigóta deléciót hordoznak, és 2287 olyan mintát, amelyekről előre jelezték, hogy nincs deléció (Additional file 1: táblázat, lásd Módszerek). Ezután egyváltozós elemzéssel értékeltük a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció és az egyes izoformák expressziós szintjei közötti összefüggéseket (lásd Módszerek). A várakozásoknak megfelelően megfigyeltük, hogy a csíravonal APOBEC3A/B deléció szignifikánsan társult az uc003awo (APOBEC3B) izoforma expressziós szintjének csökkenésével minden ráktípusban P < 0,05 mellett, kivéve a hasnyálmirigyrákot, ahol P = 0,14 volt. Az uc003awn (APOBEC3A) csökkent expressziós szintjével való szignifikáns összefüggés három ráktípusban – hólyag, emlő és pajzsmirigy – is megfigyelhető volt (2. ábra; 2. táblázat). Ezzel szemben eredményeink azt mutatták, hogy a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció szignifikánsan társult az uc011aoc (APOBEC3A/B) expressziós szintjének növekedésével minden ráktípusban, kivéve a gyomor-, hasnyálmirigy- és veserákot. Ezek esetében nem volt statisztikai szignifikancia, de az asszociációs irányok megegyeztek (2. ábra; 2. táblázat). Különösen a fej-nyakrák mutatta a legjelentősebb asszociációt P = 3,8 × 10- 65 értékkel, az emlő- és a hólyagrák pedig P = 3,0 × 10- 8, illetve P = 2,9 × 10- 7 értékkel. Ezenkívül ugyanezt az elemzést elvégeztük populáció szerint rétegezve is, és hasonló tendenciát figyeltünk meg ezeknél a ráktípusoknál (az adatok nem láthatóak). Eredményeink arra utalnak, hogy szinte valamennyi vizsgált ráktípusban a csíravonal APOBEC3A/B deléciója szignifikánsan társult az uc003awn és az uc003awo csökkent expressziós szintjével, azonban az uc011aoc expressziós szintje emelkedett.

A csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció befolyásolja az APOBEC-mutációs szignatúrát, neoantigén terhelést és a relatív immunsejt-összetételt, különösen emlőrákban

Egy korábbi tanulmány kimutatta, hogy a csíravonal APOBEC3A/B deléció fokozott APOBEC-mutációs szignatúrával jár együtt emlőrákban, míg hasonló mintázatot, de statisztikai szignifikancia nélkül, számos más ráktípusban, például hólyagrákban is megfigyeltek. Az APOBEC3A/B csíravonalbeli deléciónak az APOBEC-mutációs szignatúrára gyakorolt általános hatását egyváltozós elemzéssel értékelve azt találtuk, hogy a deléció csak emlőrákban társult szignifikánsan a fokozott APOBEC-mutációs szignatúrához (P = 5,6 × 10- 3; 3. táblázat; 3a. ábra). A legtöbb más ráktípusban azonban ellentétes tendenciát figyeltünk meg, bár a legtöbb összefüggés statisztikailag nem volt szignifikáns (3. táblázat). Különösen a hólyagrákban figyeltük meg, hogy a csíravonal APOBEC3A/B deléciója szignifikánsan összefüggött a csökkent APOBEC-mutációs szignatúrával (P = 1,7 × 10- 3; 3. táblázat). Annak további tisztázása érdekében, hogy a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléciónak az APOBEC-mutációs szignatúrára gyakorolt hatása a génexpresszióra gyakorolt hatásának köszönhető-e, tovább vizsgáltuk az APOBEC-mutációs szignatúra és a deléció közötti összefüggéseket az izoformák expressziójának kiigazításával (lásd Módszerek). Eredményeink hasonlóan azt mutatták, hogy a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció csak emlőrák esetében társult szignifikánsan a fokozott APOBEC-mutációs szignatúrával (P = 2,8 × 10- 6; 3. táblázat; 3b. ábra). A deléció nagyobb hatásméretét (Beta = – 0,620) figyeltük meg a kiigazított izoforma-expresszióval, mint az általános hatás kezdeti megfigyelése (Beta = – 0,281; 3. táblázat). Annak értékelésére, hogy a csíravonalbeli deléció hozzájárulhat-e az APOBEC-mutációs szignatúra arányához, elemeztük az APOBEC-mutációs szignatúra arányát is az összes mutációhoz viszonyítva minden egyes minta esetében (lásd a Módszerek). Az APOBEC-mutációs szignatúra kezdeti megfigyelésével összhangban azt figyeltük meg, hogy a csíravonal-deléció csak emlőrák esetében társult szignifikánsan az APOBEC-mutációs szignatúra megnövekedett arányához (Beta = – 0,287, P = 4,8 × 10- 3 és Beta = – 0,5, P = 1,4 × 10- 4 az általános hatásra és a kiigazított génexpresszióval kapcsolatos hatásokra; lásd 3. táblázat). Ezek az eredmények azt jelzik, hogy a csíravonal APOBEC3A/B deléciója, amely fokozott APOBEC-mutációs szignatúrához vezet, valószínűleg a delécióból átírt uc011aoc eltérő funkciójának köszönhető, az uc011aoc fokozott expressziójára gyakorolt hatásán kívül. Arról számoltak be, hogy az APOBEC3H I haplotípus (APOBEC3H-I) nagymértékben hozzájárulhat az APOBEC-mutációs szignatúrához az emlőrákban az APOBEC3A/B deléciókat hordozó csíravonalbeli minták esetében . Tovább elemeztük az APOBEC3H-I haplotípust összesen 76 olyan minta esetében, amelyekről előre jelezték, hogy csíravonalbeli APOBEC3A/B deléciókat hordoznak (lásd Módszerek). Eredményeink azt mutatták, hogy az APOBEC-mutációs szignatúra nem korrelált szignifikánsan az APOBEC3H-I haplotípussal, függetlenül a homozigóta vagy heterozigóta csíravonalbeli APOBEC3A/B-deléciókat előre jelzett mintáktól (adatok nem láthatóak). Eredményeink azonban összhangban vannak azzal a korábbi megállapítással, hogy a deléció által létrehozott APOBEC3A/B fehérje magasabb expressziós szinttel rendelkezik, mint az APOBEC3A fehérje az in vitro funkcionális vizsgálatokból származó vizsgálatok alapján .

Az uc011aoc izoforma expressziójának (az APOBEC3A/B delécióból átírt) eltérő funkciójának és lehetséges útvonalainak további feltárása érdekében, elemeztük azokat a géneket, amelyek az uc011aoc izoformával együttesen fejeződtek ki azokban a mintákban, amelyekről előre jelezték, hogy csíravonalbeli APOBEC3A/B deléciókat hordoznak (lásd a Módszerek című részt). A kanonikus jelátviteli útvonalakban IPA segítségével végzett feldúsulási elemzés kimutatta, hogy ezek a koexprimált gének szignifikánsan feldúsultak különböző kanonikus útvonalakban, amelyek a különböző ráktípusoknál eltérőek voltak. Konkrétan megfigyeltük, hogy a legjobban feldúsult útvonalak a következők voltak: HIPPO jelátvitel a hólyag esetében, PTEN jelátvitel az emlő esetében, iNOS és interferon jelátvitel a tüdő adenokarcinóma esetében, acil-CoA hidrolízis a gyomor esetében, valamint DNS kettős szálszakadás-javítás és zsírsav α-oxidáció a hasnyálmirigy esetében, EIF2 jelátvitel a pajzsmirigy esetében és GPCR-mediált integráció a vese esetében (P < 0,01 mindegyik esetében; Additional file 1: Table S7). Ezenkívül a Sejtpusztulás és túlélés funkcionális gazdagodása általánosan megfigyelhető volt több ráktípusban, beleértve a húgyhólyag, emlő, méhnyak, tüdő adenokarcinóma és tüdőrák (P < 0,05 mindegyikre).

Továbbá értékeltük a csíravonal APOBEC3A/B deléció és a neoantigén terhelések közötti összefüggést. Az APOBEC-mutációs szignatúra megfigyelésével összhangban eredményeink azt mutatták, hogy a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció csak emlőrákban társult szignifikánsan a megnövekedett neoantigénterheléssel (P = 6,5 × 10- 3; 3c. ábra), míg számos más ráktípusban ellenkező tendenciát figyeltünk meg (Additional file 1: S8. táblázat). Hasonlóképpen azt találtuk, hogy a csíravonal-deléció marginálisan összefüggött a T-sejtek (CD8+) összetételének relatív gyakoriságával a TIL-ekben, de csak emlőrákban (P = 0,08; 3d. ábra). A szignifikáns összefüggést akkor észleltük, amikor a homozigóta és heterozigóta delécióval rendelkező mintákat is összefésültük, és összehasonlítottuk őket a nem hordozó delécióval rendelkező mintákkal (Wilcoxon signed-rank teszt, P < 0,05). Más immunsejtek esetében azonban nem észleltünk összefüggést. Eredményeink azt mutatták, hogy a csíravonalbeli APOBEC3A/B deléció szövetspecifikus szerepet játszik az APOBEC-mutációs szignatúra és az immunogenitás befolyásolásában emlőrákban, ami valószínűleg megerősíti a korábbi genom-szerte végzett asszociációs vizsgálatok eredményeit a fokozott emlőrákkockázattal való összefüggésük lehetséges mechanizmusairól.

Az APOBEC-mutációs szignatúra jelentősen hozzájárul a neoantigénekhez

Hogy megvizsgáljuk, milyen mértékben járul hozzá az APOBEC-mutációs szignatúra a neoantigénekhez, elemeztük az előre jelzett neoantigénterhelést minden egyes, egy korábbi vizsgálatból gyűjtött minta esetében (lásd Módszerek). Egyváltozós elemzéssel értékeltük az APOBEC-mutációs szignatúra és a neoantigénterhelések közötti összefüggéseket az egyes ráktípusok esetében. A várakozásoknak megfelelően az APOBEC-mutációs szignatúra minden ráktípusban pozitívan kapcsolódott a neoantigénterheléshez (P < 1,0 × 10- 4 minden összehasonlításban), míg a legmagasabb szignifikáns összefüggéseket az emlő- és a hólyagtípusokban figyeltük meg P = 5,1 × 10- 125, illetve P = 1,5 × 10- 90 értékkel (Additional file 1: Table S9). Hasonlóképpen, a gyomorrák kivételével általános pozitív asszociációs tendencia volt megfigyelhető az előre jelzett neoantigénterhelés és az APOBEC-mutációs szignatúra aránya között (4. ábra; Additional file 1: S10 táblázat). Konkrétan a szignifikáns asszociációkat több ráktípusban is megfigyelték, beleértve a húgyhólyag, az emlő, a méhnyak, a tüdő adenokarcinóma, a fej és nyak, valamint a pajzsmirigy esetében. Különösen az emlő- és a hólyagrák mutatta a legjobb összefüggéseket P = 8,9 × 10- 29, illetve P = 2,8 × 10- 27 értékkel (Additional file 1: Table S10). Eredményeink arra utalnak, hogy az APOBEC-mutációs szignatúra jelentős szerepet játszik a neoantigének biogeneziséhez való hozzájárulásban az emberi rákban.

A TIL-ekben lévő immunsejt-összetételek relatív abundanciája közötti összefüggések a neoantigén-terheléssel és az APOBEC-mutációs szignatúrával

A neoantigén-terhelés és a TIL-ek közötti kapcsolat vizsgálata, génexpressziós adatokat használtunk a tumorszövetekben az egyes immunsejt-típusok, köztük a B-sejt naiv, B-sejt memória, T-sejt CD8 és T-sejt CD4 memória-aktivált sejtkompozícióinak relatív gyakoriságának mérésére a TIL-ekben (lásd Módszerek). Egyváltozós elemzéssel értékeltük a neoantigén-terhelés és az immunsejt-összetételek relatív abundanciája közötti összefüggést az egyes daganattípusok esetében. Megfigyeltük, hogy a neoantigénterhelés és mind a T-sejt CD8+, mind a CD4+ memóriaaktivált típusok között pozitív asszociációs tendencia volt megfigyelhető a pajzsmirigy és a vese kivételével minden ráktípusban (binomiális teszt P = 0,11 és P = 0,02 a T-sejt CD8+ és CD4+ memóriaaktivált típusok esetében). A B-sejt naiv és memóriaaktivált típusok esetében ellentétes mintázat volt megfigyelhető minden ráktípusban, a tüdő adenokarcinóma kivételével (Binomiális teszt P = 0,02 és P = 2,2 × 10- 16 a B-sejt naiv és memóriaaktivált típusok esetében). Eredményeink különösen azt mutatták, hogy a neoantigénterhelés összefüggést mutatott mind a T-sejt CD8+ és CD4+ memóriaaktivált, mind a B-sejt naiv és memória típusok relatív gyakoriságával a hólyagrákban. Az emlőrákban mind a B-sejt naiv és memória típusok, mind pedig a tüdő adenokarcinómában, fej-nyak és hasnyálmirigyrákban a T-sejt CD4 memória-aktivált sejttípusok esetében összefüggés mutatkozott (Additional file 1: Table S11). Mivel az APOBEC-mutációs szignatúra jelentősen hozzájárult a neoantigénekhez, emellett értékeltük a TIL-ekben lévő immunsejt-összetételek relatív abundanciája és az APOBEC-mutációs szignatúra közötti összefüggést is. A naoantigén-terhelés asszociációs elemzéséből származó megfigyeléssel összhangban hasonló mintázatot találtunk az APOBEC-mutációs szignatúra esetében is (Additional file 1: Table S12). Eredményeink arra utalnak, hogy az APOBEC-mutációs szignatúra hatással van a rák immunogén képességeire, például a TIL-ek bizonyos immunsejtek vonzására, amelyet valószínűleg a megnövekedett neoantigén-terhelés közvetít.