基于转录组学的食管鳞状细胞癌多维度特征描绘与药物筛选

Transcriptomics based multi-dimensional characterization and drug screen in esophageal squamous cell carcinoma.

作者信息Yin Li, Fengkai Xu, Fanghua Chen, Yiwei Chen, Di Ge, Shu Zhang, Chunlai Lu
PMID34365093
发布时间2021-08
DOI10.1016/j.ebiom.2021.103510

实验完整度

包含多组学数据整合(RNA-seq、ATAC-seq)、临床样本验证(TMA-mfIHC)以及体外细胞活力实验,并进行功能验证(细胞活力)和机制验证(荧光素酶报告基因)。

主要模型

ESCC患者组织样本(用于RNA-seq、ATAC-seq及组织芯片) ESCC细胞系(KYSE150、TE1、KYSE410、TE11、KYSE180、KYSE70) 小鼠食管癌模型单细胞RNA-seq数据

重点核对

ESCC细胞系分类:基于NTP方法分为S1样和S2样,用于药物敏感性比较 药物处理浓度:TG-101348和Vinorelbine均使用10 mM储备液,具体工作浓度未明确说明 细胞活力检测:6000细胞/孔接种于96孔板,药物处理48小时 mfIHC评分:α-SMA+TNS1+细胞比例及TNS1染色强度评分,定义TNS1high和TNS1low组 PrSC模型:基于14个基因的LASSO系数,使用最大选择对数秩统计确定最佳截断值

摘要

背景:食管鳞状细胞癌(ESCC)仍是最致命的癌症类型之一。全面剖析ESCC的分子特征和异质性,为开发更有前景的治疗方法铺平了道路。方法:整合了多个ESCC数据集的表达谱。结合ATAC-seq和RNA-seq揭示染色质可及性特征。构建了预后相关亚型分类器(PrSC),并评估了其与肿瘤微环境(TME)和免疫治疗的相关性。在临床样本中验证了关键基因特征。基于ESCC患者的TME异质性,筛选了潜在的亚型特异性治疗药物。发现:确定了ESCC中的常见差异表达基因(cDEGs)。上调基因(HEATR1、TIMELESS、DTL、GINS1、RUVBL1和ECT2)被发现对ESCC细胞存活非常重要。PRIM2、HPGD、NELL2和TFAP2B的表达改变与染色质可及性变化相关。PrSC是一个稳健的评分工具,不仅与ESCC患者的预后相关,还能反映TME异质性。TNS1高表达成纤维细胞与免疫排斥相关。TG-101348和长春瑞滨被确定为潜在的亚型特异性治疗药物。此外,将PrSC应用于两个免疫治疗队列表明其在评估免疫治疗反应方面的潜在价值。解读:我们的研究描绘了ESCC的多维度特征,建立了用于预后评估的稳健评分工具,强调了TNS1高表达成纤维细胞在TME中的作用,并确定了潜在的临床用药。

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
食管鳞状细胞癌(ESCC)的分子特征和异质性如何,以及如何基于这些特征进行预后评估和药物筛选?
核心机制
染色质可及性改变可能调控PRIM2、HPGD、NELL2、TFAP2B等基因的表达;TNS1高表达成纤维细胞通过细胞间相互作用(如Cxcl12-Cxcr4)导致免疫排斥,影响预后。
主要证据
整合8个ESCC数据集识别cDEGs,结合ATAC-seq和RNA-seq发现染色质可及性变化,临床样本mfIHC验证TNS1高表达成纤维细胞与免疫排斥及不良预后相关,体外细胞活力实验验证TG-101348和Vinorelbine的亚型特异性敏感性。
研究意义
建立PrSC评分工具,可用于ESCC预后评估和免疫治疗反应预测;TNS1高表达成纤维细胞可能成为治疗靶点;TG-101348和Vinorelbine可能作为ESCC亚型特异性治疗药物。

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

多队列数据整合鉴定cDEGs

识别ESCC中一致的分子改变

整合7个GEO数据集和3对ESCC患者的RNA-seq数据,取交集得到112个cDEGs(69个上调,43个下调)。

2

ATAC-seq揭示染色质可及性特征

探究染色质可及性变化及其与基因表达的关系

对3对ESCC组织进行ATAC-seq,结合匹配的RNA-seq分析差异可及性区域,并与cDEGs重叠,鉴定PRIM2、HPGD、NELL2、TFAP2B等基因,并用TCGA ATAC-seq数据验证。

3

构建预后相关亚型分类器PrSC

开发一种能反映ESCC预后和TME异质性的评分工具

在GSE53625和TCGA队列中筛选预后相关基因,取交集后使用LASSO Cox回归构建14基因PrSC评分,并验证于GEO meta队列。

4

TNS1high成纤维细胞与免疫排斥的验证

验证TNS1high成纤维细胞与免疫排斥及预后的关联

使用FANTOM5表达谱和单细胞RNA-seq(小鼠模型)分析TNS1表达,并通过mfIHC在241例ESCC组织芯片中验证TNS1high成纤维细胞的浸润及其与CD8+ T细胞的关系。

5

亚型特异性药物筛选与体外验证

筛选可能对特定ESCC亚型有效的药物

利用CTRP、GDSC、PRISM药物敏感性数据,基于ESCC患者亚型(S1/S2)预测药物敏感性,筛选出候选药物;使用NTP方法分类ESCC细胞系为S1样和S2样,并比较实际药物反应;最后使用6种ESCC细胞系进行细胞活力实验验证。

6

PrSC在泛癌及免疫治疗队列中的应用

评估PrSC在多种癌症中的预后预测价值及其与免疫治疗反应的关系

将PrSC应用于TCGA泛癌数据,发现与6种癌症的预后相关;并在两个免疫治疗队列(IMvigor210和Riaz et al.)中评估其预测免疫治疗反应的能力。

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
Nextera DNA文库制备试剂盒IlluminaFC-121-1030
MinElute PCR纯化试剂盒Qiagen28004
NEBNext高保真PCR预混液New England BiolabsM0541S
Trizol试剂Thermo Fisher Scientific15596026
Qubit RNA检测试剂盒Life TechnologiesQ32855
NEBNext Ultra RNA文库制备试剂盒(用于Illumina)NEBE7775
AMPure XP系统Beckman Coulter--
pGL3-Basic载体PromegaE1751
FuGENE转染试剂PromegaE2311
Steady-Glo荧光素酶检测系统PromegaE2550
TNS1抗体Protein Tech20054-1-AP
CD8抗体ServicebioGB13068-2
α-SMA抗体ServicebioGB111364
柠檬酸钠抗原修复液ServicebioG1206
牛血清白蛋白ServicebioG5001
CY3-TSA溶液ServicebioG1223
FITC荧光染料ServicebioG1222
CY5荧光染料ServicebioG1224
DAPI染色液ServicebioG1012
杜氏改良Eagle培养基Gibco11995500BT
胎牛血清BIOIND04-001-1ACS
TG-101348Selleck ChemicalsS2736
长春瑞滨MedChemExpressHY-12053A
ZM-447439MedChemExpressHY-10128
CellTiter-Glo发光细胞活力检测试剂盒PromegaG7572

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
ATAC-seq
转座反应条件:50,000个细胞核,37°C孵育30分钟;文库制备试剂盒和纯化试剂盒的具体型号
阅读提示:Methods 2.3 ATAC-seq
RNA-seq
RNA提取方法和质量评估;文库制备和测序平台(Illumina Novaseq6000,PE150)
阅读提示:Methods 2.4 RNA-seq
荧光素酶报告基因实验
报告基因构建:PRIM2启动子和增强子片段克隆到pGL3-Basic载体;转染试剂和检测系统
阅读提示:Methods 2.6 Luciferase reporter assay
多重荧光免疫组化(mfIHC)
组织芯片的染色流程:抗原修复、封闭、一抗和二抗顺序、荧光染料使用;评分标准
阅读提示:Methods 2.7 Multiplex fluorescent immunohistochemistry
细胞活力实验
细胞系种类和来源;药物浓度(10 mM储备液,工作浓度未明确);细胞接种密度(6000细胞/孔)和处理时间(48小时);重复次数(至少三次)
阅读提示:Methods 2.15 ESCC cell line and cell viability assay
药物筛选分析
药物数据库(CTRP、GDSC、PRISM)的版本和处理方法;岭回归模型的参数(MAD<0.5)
阅读提示:Methods 2.13 Drug response data collection and processing 和 2.14 Drug sensitivity estimation in ESCC patients