癌症内在逃避 T 细胞杀伤的功能基因组图谱

Functional genomic landscape of cancer-intrinsic evasion of killing by T cells

作者信息Keith A Lawson, Cristovão M Sousa, Xiaoyu Zhang, Eiru Kim, Rummy Akthar, Joseph J Caumanns, Yuxi Yao, Nicholas Mikolajewicz, Catherine Ross, Kevin R Brown, Abdelrahman Abou Zid, Zi Peng Fan, Shirley Hui, Jordan A Krall, Donald M Simons, Chloe J Slater, Victor De Jesus, Lujia Tang, Richa Singh, Joshua E Goldford, Sarah Martin, Qian Huang, Elizabeth A Francis, Andrea Habsid, Ryan Climie, David Tieu, Jiarun Wei, Ren Li, Amy Hin Yan Tong, Michael Aregger, Katherine S Chan, Hong Han, Xiaowei Wang, Patricia Mero, John H Brumell, Antonio Finelli, Laurie Ailles, Gary Bader, Gromoslaw A Smolen, Gillian A Kingsbury, Traver Hart, Charles Kung, Jason Moffat
PMID32968282
期刊Nature
发布时间2020-10
DOI10.1038/s41586-020-2746-2

实验完整度

包含体外 CRISPR 筛选、体外功能验证(细胞活力、Western blot)、体内 CRISPR 筛选及人源细胞系验证,并涉及多细胞系、多时间点分析,功能验证和机制验证充分。

主要模型

小鼠肾癌细胞系 Renca 小鼠黑色素瘤细胞系 B16 小鼠乳腺癌细胞系 EMT6 人黑色素瘤细胞系 A375

重点核对

IFNγ 处理浓度:10 ng/ml TNF 处理浓度:10 ng/ml CTL 杀伤实验的效靶比:递增比例 自噬抑制药物 autophinib 的浓度范围:0-1000 nM 体内筛选使用 EMT6 细胞植入免疫活性 BALB/c 或免疫缺陷 NCG 小鼠

摘要

允许癌细胞逃避宿主免疫系统破坏的遗传回路仍然知之甚少1-3。这里,为了鉴定一组表型稳健的核心基因和通路,使癌细胞能够逃避细胞毒性 T 淋巴细胞(CTL)介导的杀伤,我们在与 CTL 共培养的一组遗传多样的小鼠癌细胞系中进行了全基因组 CRISPR 筛选。我们在这些小鼠癌症模型中鉴定了一个包含 182 个基因的核心集合,其中单个基因的扰动会增加癌细胞对 CTL 介导毒性的敏感性或抗性。使用遗传共相似性对我们数据集的系统探索揭示了基因和通路在癌细胞中协调其逃避 CTL 的分层和协作方式,并表明控制干扰素反应和肿瘤坏死因子(TNF)诱导的细胞毒性的离散功能模块是主要的亚表型。我们的数据确立了先前被确定为 II 型干扰素反应负调节因子(例如 Ptpn2、Socs1 和 Adar1)的基因在介导 CTL 逃避中的核心作用,并表明脂滴相关基因 Fitm2 对于暴露于干扰素-γ(IFNγ)后维持细胞适应性是必需的。此外,我们将自噬通路确定为癌细胞逃避 CTL 的保守介质,并表明该通路对于抵抗细胞因子 IFNγ 和 TNF 诱导的细胞毒性是必需的。通过绘制基于细胞因子和 CTL 的遗传相互作用图谱,结合体内 CRISPR 筛选,我们展示了自噬的多效性效应如何控制癌细胞内在的 CTL 杀伤逃避,并强调了这些效应在肿瘤微环境中的重要性。总的来说,这些数据扩展了我们对参与癌细胞逃避免疫系统的遗传回路的知识,并强调了有助于逃避 CTL 杀伤表型的遗传相互作用。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
癌细胞内在逃避细胞毒性 T 淋巴细胞(CTL)杀伤的遗传基础是什么?
核心机制
自噬通路通过抵抗 IFNγ 和 TNF 诱导的细胞毒性,介导癌细胞内在的 CTL 逃避;Fitm2 通过维持 IFNγ 暴露后的细胞存活,而 NF-κB 信号与自噬协同作用。
主要证据
全基因组 CRISPR 筛选鉴定出 182 个核心基因,包括 Fitm2 和自噬基因;体外实验证实 Fitm2 缺失增加 IFNγ 敏感性,Atg12 缺失增加 TNF 敏感性;体内 CRISPR 筛选验证了自噬基因在肿瘤微环境中的重要作用。
研究意义
为癌症免疫治疗策略的开发提供了核心 CTL 逃逸基因和通路的参考集合,并强调了遗传相互作用在癌症免疫治疗中的重要性。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

构建全基因组 CRISPR 筛选平台

建立用于系统性鉴定癌细胞内在免疫逃逸基因的筛选系统。

构建 mTKO 文库(靶向 19,069 个蛋白编码基因),在六种表达抗原的小鼠癌细胞系中进行全基因组 CRISPR 筛选,并在有无 CTL 的条件下培养。

2

鉴定核心 CTL 逃逸基因

从全基因组筛选中鉴定在多种细胞系中一致影响 CTL 杀伤的基因。

使用 drugZ 算法分析筛选数据,鉴定在三个或更多细胞系中显著的基因,共 182 个核心基因。

3

验证核心基因功能

验证核心基因在 CTL 杀伤中的作用。

构建针对 182 个核心基因的 mini 文库,进行二次 CTL 杀伤筛选,并验证 Fitm2 和 Atg12 等基因的影响。

4

分析 Fitm2 的功能

阐明 Fitm2 在 CTL 逃逸中的作用机制。

生成 Fitm2 敲除细胞,进行 IFNγ 和 CTL 处理后的细胞活力测定、RNA-seq 分析及遗传相互作用筛选。

5

分析自噬通路的作用

确定自噬在 CTL 逃逸中的作用,并探索其与 TNF 信号的关系。

进行全基因组 TNF 筛选,验证 Atg12 和 Tbk1 对 TNF 诱导细胞死亡的敏感性;使用 VPS34 抑制剂 autophinib 进行药物抑制实验。

6

体内验证

在肿瘤微环境中验证自噬基因的 CTL 逃逸作用。

将 EMT6 细胞敲除库植入免疫活性 BALB/c 或免疫缺陷 NCG 小鼠,分析肿瘤样本中 gRNA 分布。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
mTKO 文库----
RPMI 1640 培养基----
胎牛血清----
青霉素-链霉素----
Neon 转染系统Invitrogen--
PureLink 质粒中提/大提试剂盒Invitrogen--
QIAamp DNA 血液迷你试剂盒Qiagen--
RNeasy Plus 迷你试剂盒Qiagen74136
RNA 到 cDNA EcoDry 预混液(Oligo dT)Takara629543
ADAR1 (Mm00508001_m1) Taqman 检测Applied Biosystems--
PPIA (Mm02342430_g1) Taqman 检测Applied Biosystems--
Advanced Fast 预混液Applied Biosystems4444557
Illumina HiSeq2500 测序仪Illumina--
Bowtie v.0.12.8----
drugZ 1.0 版本----
GSEA v3.0----
Cytoscape (v.3.7.1)----
Enrichment Map 插件 (v.3.5.1)----
AutoAnnotate 插件 v.1.3----
g:Profiler----
STAR (v.2.6.1b)----
Cufflinks (v.2.2.1)----
limma (v.3.32.10)----
edgeR (v.3.24.3)----
samtools depth----
磁珠分离试剂盒Miltenyi130-096-543
CD3/CD28 磁珠Miltenyi130-093-627
CellTiter-Glo 试剂PromegaG7570
库尔特计数器----
IncuCyte 活细胞成像系统Essen Bioscience--
抗 TNF 抗体 (MP6-XT22)Biolegend506331
抗 IFNγ 抗体 (XMG1.2)Biolegend505834
Cas9 蛋白Thermo Fisher ScientificA36499
4D 核转染系统Lonza--
SF 细胞系溶液LonzaVAXC-2032
人重组 IL-2----
人重组 TNFInvitrogen10602HNAE50
autophinibTocris Bioscience63-245-0
IFNγStemCell78021.2
TNFPeprotech315-01A
NE-PER 核和胞质提取试剂盒----
Pierce BCA 蛋白定量试剂盒Life Technologies23225
RIPA 裂解液Boston BioproductsBP-115
磷酸酶和蛋白酶抑制剂混合物Cell Signaling Technologies5872S
预制 SDS-PAGE 凝胶Bio-Rad5671093
Odyssey 成像系统LI-COR--
ATG12 (20H24L24) 抗体Invitrogen701684
LC3b 抗体Abcamab51520
NF-κB p65 (D14E12) 抗体Cell Signalling8242
磷酸化 NF-κB p65 (Ser536) (93H1) 抗体Cell Signalling3033
IκBα 抗体Cell Signalling9242
NRF2/NFE2L2 (D1Z9C) 抗体Cell Signalling12721
SQSTM1/P62 抗体Cell Signalling5114
α-微管蛋白抗体Sigma MilliporeT6074
组蛋白 H3 抗体Cell Signalling9715
BiP (C50B12) 抗体Cell Signalling--
GAPDH 抗体Cell Signalling2118S
IRDye 680RD 驴抗兔二抗LI-COR926-68073
IRDye 800CW 驴抗小鼠二抗LI-COR926-32212
抗小鼠 MHC-I (H-2 kb) EFluor450 抗体EbiosciencesAF6-88.5.5.3
抗小鼠 OVA 257-264 肽结合 H2kb PE 抗体Ebiosciences25-D1.16
ToPro-3 染料InvitrogenT3606
LSR Fortessa 流式细胞仪BD Biosciences--
FACSDIVA v.6 软件BD Biosciences--
FlowJo 软件--v.10.6.1
X-treme Gene 9 转染试剂Roche--
Matrigel 基质胶----
多西环素----
Quetol651 环氧树脂Thermo Fisher Scientific--
醋酸铀酰Thermo Fisher Scientific--
柠檬酸铅Thermo Fisher Scientific--
Leica UC7 超薄切片机Leica--
FEI Tecnai 20 透射电子显微镜FEI--
GraphPad Prism v.8.2.1GraphPad--
R v.3.6.1----
RStudio v.1.1.456----
cgdsr R 包 v.1.3.0----
TCGAbiolinks R 包 v.2.16.0----
ppcor R 包 v1.1----
gplots R 包----
Perl 脚本----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
全基因组 CRISPR 筛选
mTKO 文库的 gRNA 数量、MOI、筛选覆盖度、IFNγ 或 TNF 的浓度(10 ng/ml)、CTL 共培养的效靶比
阅读提示:Methods: In vitro genome-wide and mini-validation CRISPR screens; Methods: Analysis of cancer-intrinsic CTL-evasion genes
CTL 杀伤验证实验
细胞系、抗原表达(HA 或 Ova)、T 细胞来源(OT-1 或 CL4)、效靶比、共培养时间(约48小时)、细胞活力检测方法
阅读提示:Methods: In vitro T cell cytotoxicity assay
细胞因子处理实验
IFNγ 或 TNF 的浓度范围(1-100 ng/ml)、处理时间(72小时)、细胞活力检测方法
阅读提示:Methods: Cytokine dose-response assay
体内 CRISPR 筛选
小鼠品系(BALB/c 和 NCG)、细胞系(EMT6)、植入细胞数、肿瘤样本采集时间点、gRNA 测序方法
阅读提示:Methods: Experimental set-up for in vivo screen; Methods: Analysis of in vivo screen results