单细胞测序结合空间转录组学揭示了M1型巨噬细胞中的IRF7基因通过调节脂质代谢相关机制抑制胰腺癌的发生

学术   2024-11-01 18:00   湖北  

胰腺癌(PC)是全球癌症相关死亡率的主要原因,表现出较低的5年生存率。胰腺癌(PAAD)是最常见的PC类型,约占所有PC85%~90%。可归因于大多数患者确诊时已处于晚期,因此可选择的治疗方案有限。最近,人们越来越重视了解胰腺癌的分子机制,以开发新的治疗模式。巨噬细胞作为一种免疫细胞,在包括PC在内的多种癌症中发挥重要作用。巨噬细胞的几个亚型,包括M1M2,在癌症进展中发挥不同的作用。M1型表现出抗肿瘤功能,而M2型与促进肿瘤的特性相关。最近的研究表明,脂质代谢在癌症的发生发展中起着重要作用,尤其是在肿瘤微环境中的巨噬细胞等免疫细胞中。单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学(ST)技术的进步使科学家能够在单个细胞水平上研究PC中巨噬细胞的精确功能。这些技术提供了宝贵的见解,使研究人员能够全面理解巨噬细胞和癌细胞之间的复杂动力学,以及这些相互作用如何影响癌症进展。该研究发表在Clinical and Translational Medicine》,IF7.9

技术路线:

主要研究结果:

1、单细胞测序分析揭示了PAAD和邻近组织中不同的细胞组成和改变

为了加强对PAAD发展过程和肿瘤微环境变化的理解,作者从3PAAD患者中获取了癌组织(PAAD1-3)和癌旁正常组织(NOR1-3)。随后,作者对这6个组织样本进行了单细胞测序。随后对过滤的细胞进行分析,并从基因表达的差异中选择高度可变的基因。作者选择了方差最大的前2,000个基因进行后续分析(1A)。应用cellcyclesoring函数确定样本的细胞周期,并对数据进行初步归一化。随后,利用主成分分析(PCA)对筛选出的高变异基因进行线性缩减。然后生成PCA(1B)。此外,使用肘部图根据其标准差排列主成分(PCs)(1C)。结果表明,PC_1PC_14有效地捕获了与所选的高度可变基因相关的细节,并具有实质性的分析重要性。

接下来,作者实现了tSNE算法来非线性地降低前14PCs的维数。聚类分析得到20个聚类。随后,作者确定了每个簇中标记基因的表达谱(1D,E)。通过全面的文献检索,作者确定了已知的标记基因是不同细胞谱系的特异性。然后使用在线资源CellMarker对细胞进行注释(1F)。共鉴定出11种细胞类型(1G)。在PAAD组织中,腺泡细胞、巨噬细胞和内皮细胞较癌旁正常组织减少。相反,上皮细胞表现出增加。在肿瘤组织中发现的细胞类型中,腺泡细胞、上皮细胞和巨噬细胞显示出最高的细胞内容物比例。

以上结果表明,包括相邻正常样本在内,PAAD样本可分为20个簇。这些簇由11种不同的细胞亚型共同组成。PAAD组织表现出腺泡细胞、巨噬细胞和内皮细胞明显减少,而上皮细胞激增。

1 单细胞RNA测序数据的细胞聚类和注释

2、巨噬细胞-脂质代谢相互作用及其对胰腺导管腺癌进展的影响

为了检测脂质代谢通路和PAAD之间的相关性,作者从Genecards数据库中检索了一个与“脂质代谢过程”相关的基因集。然后,作者计算了前20个基因的相关性得分(2A)。第2位基因APOE是巨噬细胞标志基因。因此,作者提出巨噬细胞与脂质代谢信号通路密切相关,并影响PAAD的发生和进展(2A)

为了验证这一假设,作者初步确认了巨噬细胞的注释(2B),得到了准确的结果。为了识别关键的细胞参与者,作者使用“monocle”包进行了假时间分析,分选细胞并基于基因表达趋势构建轨迹(2C)。作者在分支点13观察到大量巨噬细胞的存在,表明它们可能通过促进其他免疫细胞的分化在PAAD的肿瘤微环境中发挥潜在的重要作用。随后,为了研究巨噬细胞在癌旁正常组织和PAAD样本之间的功能差异,本研究使用了RCellChat来探索不同细胞类型之间的通路活性。这些发现表明,与邻近正常组织相比,在PAAD组织中,巨噬细胞和上皮细胞之间的相互作用更紧密,相互作用增强(2D)

此外,本研究对邻近正常组织和PAAD样本巨噬细胞的基因表达进行了不同的检查,识别出|log2FC|>0.585p<0.05130个显著上调基因和144个显著下调基因(2E)。随后,作者根据标记基因对巨噬细胞亚型进行了注释,将其区分为M1型和M2型巨噬细胞(2F,G)。利用Seurat分析,研究计算了每个个体样本中各种细胞类别的相对丰度(2H),并进行t检验来分析相邻正常和PAAD组织样本之间细胞类型的差异。作者的分析显示,与邻近正常组织相比,PAAD组织中M1型巨噬细胞含量减少(2I)

总之,与邻近正常组织不同,PAAD样本表现出与上皮细胞更强的相互作用,连接增强,M1型巨噬细胞含量减少。鉴于巨噬细胞与脂质代谢信号通路的密切联系,巨噬细胞可能通过潜在地促进其他免疫细胞的分化在PAAD肿瘤微环境中占据关键地位。

2 胰腺癌组织中巨噬细胞的差异分子特征研究

3ST揭示了PAAD肿瘤微环境中强烈的细胞间相互作用和巨噬细胞的影响

ST段数据进行进一步分析。筛选表达方差高的基因,选取方差最高的3000个基因进行后续分析(3A)。随后,作者进行了PCA对数据进行线性降维,并产生了PCA(3B)。此外,作者利用ElbowPlot根据pc的标准差对其进行排名(3C)。接下来,作者使用T-分布式随机邻居嵌入(TSNE)算法来非线性降低前30pc的维数,并使用分辨率为.4的聚类分析。为了确定特定细胞类型在特定组织区域的富集,作者评估了映射到该区域的基因和通过scRNA-seq数据确定的每种细胞类型的特定基因之间的重叠程度。基于此分析,作者对ST数据进行了单元格注释(3D)M1型巨噬细胞之分布绘于图3E中。利用scRNA-seq数据,R中的“SPOTlight”包被用于获取空间背景下的细胞相互作用信息。作者生成了表明细胞-细胞相互作用强度的圆形图(3F)和细胞相关性的热图(3G)。结果表明,在PAAD肿瘤微环境中,上皮细胞和M1型巨噬细胞之间的相互作用强度最显著。此外,这些相互作用与两种细胞类型呈负相关,这与之前的文献发现一致。单核细胞来源的巨噬细胞在维持正常组织平衡和促进肿瘤生长方面的不同功能可以通过它们不同的特性来阐明。巨噬细胞表现出功能可塑性,允许它们改变极化状态以适应不同的生理条件。具体来说,M1型巨噬细胞产生I型促炎细胞因子,参与抗原呈递并具有抗肿瘤作用。相反,M2型巨噬细胞产生II型细胞因子,促进抗炎反应并表现出促肿瘤功能。此外,肿瘤微环境中的基质细胞通常促进肿瘤的生长和转移,并经常作为癌症治疗的靶点。

综上所述,在PAAD样本中,M1型巨噬细胞和上皮细胞之间存在着密切的联系,呈负相关。这些相互作用有助于抑制PAAD肿瘤微环境中的癌细胞。

3 结合单细胞RNA测序和空间转录组学的分析结果

4IRF7通过调节M1型巨噬细胞中RPS18的表达来调节PAAD的预后

为了证实上述发现,作者使用TCGA数据库中获得的PAAD转录组数据进行了免疫浸润分析。结果显示与正常组织样本相比,PAAD组织样本中的巨噬细胞浸润评分降低(4A)。免疫浸润分析结果也显示PAAD组织样本中巨噬细胞免疫浸润水平显著降低。

为了研究巨噬细胞对PAAD发生和预后的影响,作者分离了巨噬细胞中的差异表达基因(DEGs),并建立了预测风险评分模型。从基因表达综合(GEO)数据库下载与PAAD相关的转录组数据集GSE183795。从这个数据集中,作者提取了274DEGs的表达水平。样本被随机分为“训练”和“测试”两部分来构建和验证模型。提取基因并对样本进行分组后,作者对Train组的表达矩阵进行单因素Cox分析,以识别与患者预后相关的基因。作者总共确定了9个与PAAD患者预后相关的基因。

随后,作者利用' glmnet '包实现Lasso回归和缓解模型过拟合。经过Lasso回归,结果表明选择8个基因进行模型构建,模拟效果最优。Lasso回归分析鉴定出KRT17RPS18INSIRF7RPS29SRGAP1MMP14MIF等基因。利用Train组的基因表达数据,作者使用' Survival '包构建了通过Lasso回归选择表达基因的Cox模型。由此产生的模型产生每个样本的基因风险系数和风险评分。在构建模型后,作者开发了一个由四个基因组成的预后风险评分模型:RPS18, IRF7, MMP14MIF。图4B描绘了与每个基因相关的风险系数。MMP14MIFp值大于.05。基因RPS18IRF7p<0.05时显示显著性。然而,只有IRF7被归类为低风险基因。RPS18高表达对患者生存不利,而IRF7MMP14MIF高表达对患者生存有利,与预后风险评分结果相矛盾。利用TIMER v2.0数据库分析免疫浸润,IRF7M1型巨噬细胞的浸润水平呈正相关,而与肿瘤细胞纯度呈负相关(4C)

为了检测巨噬细胞浸润肿瘤中IRF7的表达谱,作者进行了流式细胞术分析,以量化邻近正常组织和PAAD组织中IRF7 M1IRF7 M2巨噬细胞的数量。结果表明,IRF7 M1极化的巨噬细胞在癌旁正常组织中的水平显著高于PAAD组织,而IRF7 M2极化的巨噬细胞的含量没有变化(4D,E)。用CD86CD163磁珠纯化PAAD组织中的免疫细胞。采用蛋白质印迹法检测两种细胞中IRF7的含量。结果表明,IRF7水平仅在M1型巨噬细胞中发生变化(4F)。因此,作者选择M1型巨噬细胞作为后续分析的重点。

在分析了以上结果后,作者检测了巨噬细胞中差异表达的基因,并建立了一个风险评分模型,该模型确定了低风险基因IRF7

4 利用GEO数据库构建基于脂质代谢标志基因的预后风险评分模型

5、调节M1型巨噬细胞的IRF7改变脂质代谢,并抑制PAAD细胞的增殖,活力和迁移

为了研究IRF7 M1型巨噬细胞对PAAD细胞脂质代谢途径和生物学功能的影响,作者利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创建了IRF7敲除(IRF7 KO) M1型巨噬细胞(IRF7 WT作为IRF7 KO的野生型对照)。此外,作者通过慢病毒转导建立了过表达IRF7M1型巨噬细胞(OE-IRF7,以OE-NC为对照)

接下来,作者将来自不同M1巨噬细胞组的细胞外囊泡与PAAD细胞系(PANC-1/BxPC-3)共培养。然后,作者使用代谢组学分析来定量共培养后PAAD细胞中脂质代谢物的总含量。结果显示,与IRF7 WT组相比,在IRF7 KO组的PANC-1BxPC-3细胞中,脂质代谢物的总含量显著增加(5A)。相反,与OE-NC组相比,OE-IRF7组的PANC-1BxPC-3细胞中脂质代谢物的总含量显著降低(5B)

此外,作者通过MTT实验来评估细胞活力,通过流式细胞术和EdU实验来评估细胞分裂和增殖能力,通过划痕和Transwell实验来评估细胞迁移和侵袭能力,以及通过TUNEL染色来评估细胞凋亡。结果表明,与IRF7-WT组相比,IRF7-KO组表现出更高的细胞活力,增殖和迁移能力。S G2/M期细胞比例增加,细胞凋亡减少。与OE-NC组相比,OE-IRF7组的细胞活力、增殖和迁移能力降低,S G2/M期细胞百分比下降,细胞凋亡水平增加(5C-J)

上述结果表明,IRF7可阻碍M1型巨噬细胞的脂质代谢,抑制细胞活力、增殖、迁移、侵袭,并促进PAAD细胞凋亡。

5 IRF7对胰腺癌细胞生物学功能的影响

6IRF7缺陷的M1巨噬细胞衍生的外泌体将RPS18转运到PAAD细胞,调节ILF3的表达

IRF7是一种转录因子,属于干扰素调节因子(IRF)家族,先前已被确定为多种癌症的肿瘤抑制因子。它通过抑制其靶基因的转录水平发挥作用,从而在癌症发展中发挥抑制作用。首先,作者使用凝胶电泳来呈现CHIP-qPCR检测到的结合位点。结果表明,在M1型巨噬细胞模型中,RPS18启动子区域内存在结合位点,如图6B所示。随后,作者将IRF7-WT质粒与含有RPS18启动子结合位点的荧光报告质粒共转染,或者将IRF7-WT质粒与含有RPS18启动子结合位点突变的荧光报告质粒共转染。荧光素酶实验结果一致表明,在M1型巨噬细胞模型中过表达转录因子IRF7抑制靶基因RPS18的表达。然而,当RPS18启动子区域内的结合位点发生突变时,IRF7的抑制作用明显减弱。这一发现表明,IRF7确实通过与RPS18启动子结合来抑制RPS18的表达,如图6C所示。

研究表明,外泌体在促进癌症细胞和非癌症细胞之间的交流中是至关重要的。来源于M1型巨噬细胞的外泌体可通过传递RNA分子影响肿瘤相关基因的表达,从而发挥抑癌作用。因此,作者假设IRF7阻碍了RPS18的转录过程,并促进了RPS18通过M1巨噬细胞来源的Exos运输到PAAD细胞,进而影响其生物学功能。

为了证实上述推测,作者培养了M1型巨噬细胞,并收集了这些巨噬细胞分泌的外泌体(M1-Exos)。结果表明,分离得到的Exos粒径分布主要集中在100~150nm范围内。此外,外泌体标记蛋白CD9CD63CD81的表达水平升高。相反,细胞标记蛋白calnexin的水平则较低。将分离出的ExosDil标记后,与PANC-1/BxPC-3细胞共培养24h,使用激光扫描显微镜观察PANC-1/BxPC-3细胞对Exos的摄取情况。结果表明,在接受磷酸盐缓冲液(PBS)处理的PANC-1/BxPC-3细胞中没有绿色荧光信号,而在暴露于ExosPANC1/BxPC3细胞中检测到明显的红色荧光信号(6D)。上述结果提示PAAD细胞可内化M1型巨噬细胞释放的Exos。首先,在M1型巨噬细胞中,敲除IRF7导致RPS18表达显著增加,这是通过IRF7 KO组的蛋白免疫印迹和qPCR分析发现的(6E,F)。随后,在提取相应的M1-Exos后,qPCR分析表明,与IRF7-WT组相比,IRF7-KO组的M1-ExosRPS18的表达显著增加。然而,IRF7M1-ExosPAAD细胞中的表达没有显著变化(6G,H)。这些发现表明,在IRF7-KOM1巨噬细胞中富集的RPS18转移到外泌体。最后,当将获得的M1-ExosPANC-1/BxPC-3细胞共培养时,蛋白质印迹和RTqPCR结果表明,在细胞摄取M1-Exos后,与WT-Exos组并置时,IRF7-KO-Exos组的PANC-1/BxPC-3细胞中RPS18的表达显著增加(6I,J)。当M1型巨噬细胞与PAAD细胞共培养并经GW4869处理时,PAAD细胞中RPS18的含量在GW4869处理后显著降低,这证明RPS18可以通过细胞外囊泡分泌从M1型巨噬细胞转移到PAAD细胞(6K)。此外,通过慢病毒转导M1巨噬细胞中RPS18的过表达与OE-NC组相比导致与OE-RPS18组共培养的PAAD细胞中RPS18含量的显著上调,指出M1巨噬细胞中RPS18表达的变化导致PAAD细胞中RPS18表达的变化(6L)

随后,为了阐明M1巨噬细胞来源的外泌体(M1-Exos)转移RPS18PAAD细胞后对下游靶基因的影响,作者提取了IRF7KO前后的M1巨噬细胞外泌体。与PANC-1细胞共培养后进行高通量测序、数据处理和差异分析。结果显示,与IRF7-KO-Exos组相比,有5mrna显著差异表达(6M)。这5个基因的表达模式见图6N。通过BioGRID数据库,作者确定了与RPS18相互作用的373个基因,交集产生了一个关键mRNA: ILF3(6O)。此外,作者评估了ILF3M1-Exos和来自WT-ExosIRF7-KO-ExosPAAD细胞中的表达水平。结果表明,M1-Exos中的ILF3含量在两组之间没有显著变化,这表明M1巨噬细胞中的ILF3不受IRF7/RPS18的调节。此外,与WT-Exos组相比,IRF7-KO-Exos组的PAAD细胞中ILF3的表达显著增加,这表明了来自M1-ExosRPS18PAAD细胞中ILF3的调节作用,在M1巨噬细胞中,ILF3的表达在IRF7-KO后增加(6P)

以上结果表明,来自IRF7-KO组的M1型巨噬细胞胞外囊泡在RPS18中大量存在。这些M1型巨噬细胞胞外囊泡,也称为M1-Exos,可以将RPS18转移到PAAD细胞,并影响这些细胞中ILF3的表达。

6 通过M1-Exos转移到胰腺癌细胞的IRF7/RPS18调节的下游靶基因的选择

7M1型巨噬细胞的IRF7缺陷通过外泌体转移调节RPS18/ILF3轴,影响脂质代谢和PAAD细胞动力学

随后的研究表明,IRF7抑制RPS18的转录,并通过来源于M1型巨噬细胞的细胞外囊泡将其递送到PAAD细胞。这一过程有效靶向调控了PAAD细胞中ILF3的表达。这种调节在调节PAAD脂质代谢和各种细胞功能中起重要作用。首先,作者在PANC1/BxPC-3细胞系中验证了三个sh-RPS18构建体在引起RPS18敲低中的有效性。RT-qPCR结果显示sh-RPS18-1表现出最有效的敲低。因此,选取sh-RPS18-1进行后续实验研究。PANC-1/BxPC-3细胞与M1Exos共培养,并敲低RPS18RT-qPCR和蛋白质印迹结果显示,与WT-Exos sh-NC组相比,IRF7-KO-Exos sh-NC组细胞中RPS18ILF3mRNA水平和蛋白表达显著上调。与此相反,IRF7 mRNA和蛋白表达水平显著降低。此外,与IRF7-KO-Exos sh-NC组相比,IRF7-KO-Exos sh-RPS18PANC-1/BxPC-3细胞中RPS18ILF3mRNA水平和蛋白表达显著降低,而IRF7mRNA和蛋白表达水平保持不变(7A,B)

下一步,作者计划将不同类型的M1型巨噬细胞与PAAD细胞系(PANC-1/BxPC-3)共培养,并使用代谢组学技术评估共培养后PAAD细胞的总体脂质代谢水平。结果表明,在PANC-1BxPC-3细胞中,与WT-Exos sh-NC组相比,IRF7-KO-Exos sh-NC组的总脂质代谢物含量升高。相反,当与IRF7-KO-Exos sh-NC组并置时,在IRF7-KO-Exos sh-RPS18组中,PANC-1BxPC-3细胞中的总脂质代谢物含量降低(7C)。通过MTT、流式细胞术、EdU掺入、伤口愈合、Transwell迁移和TUNEL染色等多种方法检测细胞活力、增殖、迁移、侵袭和凋亡能力。结果表明,与WT-Exos sh-NC组相比,IRF7-KO-Exos sh-NC组的细胞活力,增殖和迁移能力增加。S G2/M期细胞比例明显增加,凋亡水平明显下降。相反,与IRF7-KO-Exos sh-NC组相比,IRF7-KO-Exos sh-RPS18组细胞活力、增殖和迁移能力降低。此外,处于S G2/M期的细胞群减少,而凋亡水平上升(7D-N)

总之,作者的研究结果表明,在M1型巨噬细胞中,IRF7的敲低上调了RPS18的转录,并促进了RPS18通过M1-Exos转移到PAAD细胞。结果,这一过程导致了ILF3PAAD细胞中的表达增强。促进脂质代谢相关通路,增强PAAD细胞活力、增殖、迁移和侵袭能力,同时阻断细胞凋亡。

7 IRF7/RPS18调控ILF3M1-Exos中的表达对胰腺癌细胞生物学功能的影响

8、调节M1型巨噬细胞中的IRF7改变了RPS18ILF3的表达,影响了原位PAAD小鼠模型中的脂质代谢和肿瘤生长

为了探究上述机制是否影响PAAD细胞在体内的成瘤潜能,作者建立了PAAD的小鼠原位移植模型,并将M1-ExosPAAD细胞一起给药。首先,通过RT-qPCR和蛋白质印迹分析,作者观察到相对于NC-Exos OE-NC组,RPS18ILF3OE-IRF7-Exos OE-NC组小鼠肿瘤组织中的表达显著降低。尽管如此,与OE-IRF7-Exos OE-NC组相比,OE-IRF7-Exos OE-RPS18组小鼠的肿瘤组织中RPS18ILF3的表达升高(8A,B)

随后,不同组的M1-Exos被注射到PAAD小鼠肿瘤模型中,并在1周和2周进行肿瘤生物发光成像以监测肿瘤的生长。结果表明,与NC-Exos OE-NC组相比,OE-IRF7-Exos OE-NC组小鼠肿瘤的生长速度受到抑制。相比之下,OE-IRF7-Exos OE-RPS18组小鼠的肿瘤生长速度甚至比OE-IRF7-Exos OE-NC组更快(8C)

此外,作者比较了不同组小鼠肿瘤组织的脂质代谢谱结果,以及体内肿瘤体积和重量评估。作者的研究结果表明,当OE-IRF7-Exos OE-NC组与NC-Exos OE-NC组并排放置时,小鼠肿瘤组织中的脂质代谢物含量降低,从而降低肿瘤的体积和重量。相反,与OE-IRF7-Exos OE-NC组相比,OE-IRF7-Exos OE-RPS18组小鼠肿瘤组织中脂质代谢产物含量增加,导致肿瘤体积和重量增加(8D-G)

通过免疫组织化学染色观察Ki67在小鼠肿瘤组织中的表达。结果表明,与NC-Exos-NC组相比,OE-IRF7-Exos-NC组小鼠肿瘤组织中Ki67-阳性细胞的百分比降低。相反,与OE-IRF7-Exos OE-NC组相比,小鼠肿瘤组织中Ki67-阳性细胞的百分比在OE-IRF7-Exos OE-RPS18组中增加(8H)。这些结果表明,M1型巨噬细胞中IRF7的过表达导致了RPS18转录的抑制。因此,M1-ExosRPS18转移到PAAD细胞的数量减少,从而抑制了PAAD细胞中ILF3的表达。此外,ILF3表达的抑制进一步阻碍脂质代谢,最终抑制体内PAAD细胞的肿瘤形成。

8 IRF7/RPS18调控ILF3M1-Exos中的表达对胰腺癌细胞体内肿瘤形成的影响

结论:

M1型巨噬细胞中过表达IRF7可能抑制RPS18的转录,减少RPS18M1型巨噬细胞来源的外泌体转移到PAAD细胞,从而抑制PAAD细胞中ILF3的表达,抑制脂质代谢途径,抑制PAAD细胞的活力、增殖、迁移、侵袭,并促进细胞凋亡,最终抑制体内PAAD细胞的肿瘤形成。靶向IRF7/RPS18M1型巨噬细胞可能是未来治疗PAAD的一种有前景的免疫治疗方法。

参考文献:

Zhan T, Zou Y, Han Z, et al. Single-cell sequencing combined with spatial transcriptomics reveals that the IRF7 gene in M1 macrophages inhibits the occurrence of pancreatic cancer by regulating lipid metabolism-related mechanisms. Clin Transl Med. 2024 Aug;14(8):e1799. doi: 10.1002/ctm2.1799.

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