Identification of a core gene-regulatory trajectory to terminal T cell dysfunction in human tumors and discovery of potential target genes involved in this process
Diseases such as cancer are often associated with suppression of the immune sys- tem. Thereby, cytotoxic CD8+ T cells, originally meant to kill the cancerous cells, tend to become dysfunctional, as they are struggling with long term exposure to antigens and the immunosuppressive tumor microenvironment. As a consequence, tumor-specific CD8+ T cells often fail to fully eliminate cancer cells. Much ...
Zusammenfassung (Englisch)
Diseases such as cancer are often associated with suppression of the immune sys- tem. Thereby, cytotoxic CD8+ T cells, originally meant to kill the cancerous cells, tend to become dysfunctional, as they are struggling with long term exposure to antigens and the immunosuppressive tumor microenvironment. As a consequence, tumor-specific CD8+ T cells often fail to fully eliminate cancer cells. Much research has been conducted on T cell exhaustion in the context of chronic viral infection. However, it remains unknown, whether gene-regulation patterns causing terminal T cell exhaustion in cancer are specific to cancer type or tumor microenvironment or, whether they are governed by a universal exhaustion program. ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing) is a great tool to identify cell states based on their open chromatin landscape. Therefore, we used this method to investigate chromatin states of CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes, isolated from HCC (Hepatocellular Carcinoma), RCC (Renal Cell Carcinoma), and HNSCC (Head and Neck Squamous Cell Carcinoma) patients, on the single cell level. This approach enables unbiased identification of discrete TIL (tumor-infiltrating lymphocytes) subpopulations as well as key transcription factors and gene-regulatory elements that determine different cell states. Bioinformatic analysis verified terminal exhausted TIL populations in every cancer type except HNSCC and revealed candidate determinants of exhaustion common to RCC and HCC, as well as to BCC (Basal Cell Carcinoma, integrated data from a published study). Further, we sought to determine the role of these candidates using CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) knock-out in expanded TILs from melanoma patients.
We anticipate that our findings will improve understanding gene-regulatory mechanisms leading to terminal T cell dysfunction in different human cancer types and help to identify factors, which could improve immunotherapies such as CAR T-cell therapy.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Krankheiten wie Krebs stehen oft im Zusammenhang mit einer Unterdrückung des Immunsystems. Es wurde beobachtet, dass zytotoxische CD8+ T-Zellen, die eigentlich entartete Krebszellen zerstören sollen, dysfunktional werden. Als Grund dafür werden die langanhaltende Tumor-Antigenpräsentation und das immunsupprimierende Tumormikromilieu genannt. Infolgedessen gelingt es tumorspezifischen CD8+ ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Krankheiten wie Krebs stehen oft im Zusammenhang mit einer Unterdrückung des Immunsystems. Es wurde beobachtet, dass zytotoxische CD8+ T-Zellen, die eigentlich entartete Krebszellen zerstören sollen, dysfunktional werden. Als Grund dafür werden die langanhaltende Tumor-Antigenpräsentation und das immunsupprimierende Tumormikromilieu genannt. Infolgedessen gelingt es tumorspezifischen CD8+ T-Zellen oft nicht, Krebszellenvollständig zu eliminieren. Es wurde bislang schon intensiv an der sogenannten ”Erschöpfung” von T-Zellen im Zusammenhang mit einer chronischen Virusinfektion geforscht. Es konnte bisher jedoch nicht beantwortet werden, ob Genregulationsprogramme, die eine terminale T-Zell-Erschöpfung im Zusammenhang mit Tumorerkrankungen verursachen, spezifisch für die Krebsart bzw. für die Mikroumgebung des Tumors sind oder, ob sie universell einheitlich sind. ATAC-seq (Test für Transposase-zugängliches Chromatin durch Sequenzierung) ist ein großartiges Werkzeug, um Zellzustände anhand ihrer unterschiedlichen Chromatin-Zugänglichkeit zu identifizieren. Daher haben wir diese Methode verwendet, um Chromatinzustände von CD8+ tumorinfiltrierenden Lymphozyten, die aus Patienten mit Hepatozellulärem Karzinom, Nierenzellkarzinom oder Kopf-Hals- Plattenepithelkarzinom isoliert wurden, auf Einzelzellebene zu untersuchen. Dieser Ansatz ermöglicht eine unvoreingenommene Identifizierung spezifischer Zell-Subpopulationen sowie wichtiger Transkriptionsfaktoren und genregulatorischer Elemente, die die unterschiedlichen Zellzustände bestimmen.
Unsere bioinformatische Analyse dieses Datensatzes ergab, dass dysfunktionale CD8+ tumorinfiltrierende Lymphozyten in allen Krebsarten außer Kopf-Hals- Platte- nepithelkarzinomenvorzufindensind.Desweiterenentdecktenwirmöglichebestimmende Faktoren, die der T-Zell-Dysfunktion in Nieren-, Leber-, sowie Basalzellkarzinomen (publizierte Daten, die in unseren Datensatz integriert wurden) zugrundeliegen könnten. Darüber hinaus versuchten wir, die Rolle dieser Faktoren (Kandidaten-Gene) mithilfe von CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) basierten Gen-Knockouts in expandierenden tumorinfiltrierenden Lymphozyten von Melanompatienten zu bestimmen.
Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse das Verständnis von Genregulationsmechanismen, die zu einer terminalen T-Zell-Dysfunktion bei verschiedenen menschlichen Krebsarten führen, verbessern werden. Wir glauben des Weiteren, dass unsere Ergebnisse dazu beitragen können, Faktoren zu identifizieren, die Immuntherapien wie die CAR-T-Zelltherapie verbessern könnten.
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