Pan-Cancer Analysis Reveals the Signature of TMC Family of Genes as a Promising Biomarker for Prognosis and Immunotherapeutic Response
泛癌症分析显示TMC基因家族的特征是预后和免疫治疗反应的一个有希望的生物标记物
发表期刊：Front Immunol
发表日期：2021 Nov 9
DOI: 10.3389/fimmu.2021.715508
一、背景
癌症是一种具有多组学失调的细胞疾病，如基因改变、不同的DNA甲基化以及转录组和代谢紊乱。过去几十年来，高通量测序和生物信息技术的进步使得数百万个全量级的改变被检测出来，并使系统地研究它们在肿瘤发生和发展中的作用成为可能。一项针对泛癌症水平的免疫检查点基因表达谱的综合分析确定了基于免疫检查点阻断的治疗相关的生物标志物，这表明具有相同功能的基因类可以作为分子特征。
跨膜通道样（TMC）蛋白是一个进化上保守的离子通道样膜蛋白的基因家族。根据氨基酸序列的相似性，TMC通道形成三个亚家族：TMCs 1-3（亚家族1），TMCs5和6（亚家族2），以及TMCs 4、7和8（亚家族3）。在过去的二十年中，TMC被报道在听力损失、脂肪肝和癌症中发挥重要作用。值得注意的是，有研究发现TMC5通过细胞周期调节促进前列腺癌细胞增殖。因此，TMC是各种人类癌症的关键调节因子，对癌症中TMC的系统研究对于更好地了解其在癌症发展中的作用及其临床治疗潜力是必要和有价值的。
二、材料与方法
1.数据来源
1）人体组织的基因表达数据从FANTOM5（45种组织类型）、人类蛋白质图谱（HPA，43种组织类型）和GTEx数据库（54种组织类型）下载
2）下载了TARGET和TCGA项目（33种癌症类型）中的DNA甲基化数据、体细胞突变数据、拷贝数改变（CNA）数据、mRNA表达和病人临床信息
3）GEO：GPL570、GPL13534的27种癌症类型的DNA甲基化阵列
4）七个皮肤黑色素瘤队列（TCGA-SKCM[n=15]，Gide2019.antiPD/1antiCTLA4[n=58]，Riaz2017. GSE91061 [n=51], Lauss2017.GSE100797 [n=25], Hugo2016.GSE78220[n=26]) 从TIDE数据库（41）下载的数据被用来评估TMC在免疫治疗临床效益中的预测价值
2.实验流程
三、实验结果
01 - TMC家族的基因被过度控制并受到eQTM和eQTCN突变的影响
作者分析了TMC家族基因在人体组织和癌症样本中的表达，以研究TMC家族基因在人类癌症中的作用。来自FANTOM5、HPA和数据库的数据显示了一致的结果：TMC1和TMC2在所有分析的组织和癌症类型中几乎不表达（图2A-C），TMC3在甲状旁腺中特异表达（图2B）。免疫组化显示，TMC3在甲状旁腺腺瘤中的表达高于正常甲状旁腺组织（图2D）。TMC3的表达可以作为区分甲状旁腺腺瘤样本和正常甲状旁腺组织的特异性分类器（图2D，E），然而TMC4、TMC5、TMC6、TMC7和TMC8在不同组织类型中广泛表达。此外，TMC4、TMC5、TMC6、TMC7和TMC8具有组织特异性和癌症特异性的表达（图2A-C，F）。这表明它们可能在不同的癌症类型中发挥不同的作用。
作者根据GDC-TCGA、GEO和TCGA-GTEx数据集进行差异表达分析，以确定哪些TMC基因在人类癌症中具有潜在的重要性。如果TMC基因在一个以上的数据集中被检测到并相互验证，则被视为差异表达。结果显示，TMC4和TMC5在不同的癌症中具有相似的表达模式，TMC6和TMC7也是如此（图3A）。根据TMC基因的表达，将前列腺腺癌（PRAD）、急性骨髓性白血病（LAML）和急性淋巴细胞白血病（ALL）分组（图3B）。然而，TMC基因在肺腺癌和肺鳞癌中的表达是不同的，表明TMC基因在这两种肺癌亚型中的作用可能不同（图3B）。
作者进一步研究了人类癌症中TMC基因的DNA甲基化、体细胞突变和拷贝数的改变，以确定癌症相关的基因组变化。TMC家族基因的显著突变的eQTLs主要在乳腺癌中检测到（图3C）。TMC8是TMC家族基因中受DNA甲基化影响最频繁的基因（图3D）。TMC基因的CNAs主要在肺腺癌、胃腺癌和头颈部鳞癌中发现（图3E）。大多数的CNAs是扩增的。此外，TMC5在肿瘤中的CNAs频率最高（图4A）。TMC扩增在ER阳性乳腺癌、PR阳性乳腺癌和肿瘤浸润性乳腺亚型富集。拷贝数扩增使TMC5在乳腺癌中的表达上调（图4B）。
02 - TMC家族基因的预后潜力
为了研究TMC家族基因在人类癌症中的预后潜力，作者在TCGA和GEO队列的基础上进行了单变量和多变量的Cox回归分析。六个独立的乳腺癌队列（TCGA-BRCA、GSE11121、GSE21653、GSE22220、GSE45255和GSE6532 )显示TMC5与乳腺癌的无病生存率有关（图4C-H）。在三个乳腺癌队列（GSE11121、GSE45255、GSE6532）中，基于TMC5表达（以中位数为界将患者分为高组或低组）和患者临床特征的多变量分析显示，TMC5表达是乳腺癌无病生存的独立预后生物标志物（图4M）。此外，四个独立的皮肤黑色素瘤队列（TCGA-SKCM队列、GSE19234、GSE53118和GSE54467）一致显示TMC8的低表达与皮肤黑色素瘤的总生存率差有关（图4I-L）。基于TMC8表达（以中位数为分界线，将患者分为高组或低组）和患者临床特征的多变量分析显示，TMC8表达是皮肤黑色素瘤总生存率的独立预后生物标志物（图4N）。此外，利用免疫组化数据分别验证了TMC5和TMC8在乳腺癌（21例中18例为中/高强度，4例显示在图4O）和皮肤黑色素瘤（10例中9例为中/高强度，4例显示在图4P）的蛋白表达。
03 - TMC家族基因在人类癌症中的功能和途径
对于每个癌症类型，只有在TMC基因有差异表达的情况下，才对所涉及的GO功能和KEGG途径进行分析。结果显示，每个癌症类型中与TMC基因显著相关的基因可能在人类癌症中发挥类似的作用。它们主要参与细胞内和细胞间的信号转导，在内源性的刺激下调节细胞的增殖、分化和凋亡（图5A）。一致的是，它们参与的共同分子功能是信号受体结合（图5B），参与的细胞成分是质膜（图6A）。TMCs在不同的肿瘤中可能发挥不同的功能。例如，TMCs 4-8参与了KICH和CHOL的细胞增殖和细胞死亡的调节，但对于HNSC和OVCA可能不参与这些功能（图5A）。通路分析表明，差异表达的TMC基因与黑色素生成和Wnt信号传导有关（图6B）。重要的是，结果显示TMC可能在肿瘤微环境中发挥作用。具体来说，GO生物过程分析显示，失调的TMCs参与了免疫系统调节、白细胞/淋巴细胞分化（图5A）。GO分子功能分析显示，失调的TMC参与了免疫受体的活动（图5B）。路径分析还显示，失调的TMCs与T细胞/B细胞受体活性、NK细胞介导的细胞毒性和白细胞跨内皮迁移有关（图6B）。众所周知，白细胞跨内皮迁移对初始化先天性或适应性免疫反应是不可缺少的。这些结果共同表明TMC在转移性癌症的肿瘤微环境中的关键作用。
04 - TMC基因在人类癌症的肿瘤微环境和免疫治疗反应中的作用
作者研究了人类癌症中免疫细胞和TMC基因之间的相关性（图7）。结果显示，TMC6和TMC8在肿瘤免疫细胞中表现出较高的相似性（图7C，E）。与基于氨基酸序列同源性的分类不同，TMC5、和TMC6属于同一个亚家族（亚家族2），但它们在癌症中与免疫细胞表现出相反的关系（图7B，C）。值得注意的是，TMC8在29种癌症中与T/CD8+ T细胞、B细胞和肿瘤浸润淋巴细胞高度相关（图7E），而TMC4和7在一些癌症中与这些细胞负相关，如THYM和BLCA（图7A，D）。
进一步进行TMCs的表达与肿瘤突变负担和PD-L1表达之间的相关性，以评估潜在的免疫治疗反应。结果显示，TMC5与食道癌、肺腺癌和乳腺癌的肿瘤突变负荷显著相关（图8A）。TMC4-8与不同类型的癌症，如乳腺癌和皮肤黑色素瘤的PD-1/PD-L1/CTLA4表达有关（图8B-D）。
对计算的肿瘤免疫浸润估计得分（如CIBERSORT和xCell算法）的分析也显示TMCs与浸润的免疫细胞明显相关（图9）。例如，TMC6和TMC8与大多数癌症类型中的巨噬细胞、B细胞和T细胞高度正相关，而TMC4、TMC5和TMC7与不同癌症类型中的这些细胞负相关（图9）。
05 - TMCs在免疫治疗临床效益中的预测价值
GSE91061队列（n=51）被作为训练集，其他队列作为验证集。作者根据TMCs 4-8特征的表达情况制定了一个IRP评分，以预测患者是否有临床获益。以IPR评分的中值为分界线，将患者分为高组和低组。结果表明，IRP 评分在训练集（图 10A）、GSE100797 队列（图 10B）和 TCGA.antiCTLA4 集（图 10C）中具有较高的敏感性和特异性。 它还在 Gide2019.antiPD1/antiCTLA4 队列（图 10D）和 GSE78220（图 10E）中显示出高性能。因此，所有的队列都一致显示，较高的IRP分数可以预测较高的免疫治疗反应。
四、结论
本研究表明TMC5是乳腺癌治疗后复发的独立预后标志物。同时，四个队列显示TMC8是皮肤黑色素瘤总生存率的独立预后标志物。为皮肤黑色素瘤的IRP建立了一个新的五基因特征（即TMC4-8）。预测IRP得分较高的患者会有较高的免疫治疗临床效益。这些数据提供了TMC通道在癌症中的功能作用，并可能为乳腺癌和皮肤黑色素瘤的预后和免疫治疗反应提供新的生物标志物。