提起组蛋白修饰，大家可能都不陌生，都会想到乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等。那么今天小记者想提另一个组蛋白修饰的超级热点——乳酸化修饰，乳酸化修饰（Lactylation）是指在细胞代谢过程中，乳酸的积累修饰组蛋白上的赖氨酸残基。不管是SCI文章还是国自然，乳酸化修饰都可谓是一个超级热点现象。检索乳酸化修饰在肿瘤中的研究有131篇，其在nature等核心期刊均有发文。而在生信文章方面，乳酸化修饰的生信文章可以说极少，结合TCGA关键词目前只有10篇，而且还都是23年和24年才发表的，所以说目前做乳酸化相关生信文章一定可以赶在第一梯队发文章！所以小记者迫不及待分享文章来啦！
今天小记者分享的这篇乳酸化文章，其研究内容新颖，思路清晰，具体优点如下：1.文章以“乳酸化”为重点研究对象，妥妥地抱紧了国自然热点的大腿，瞬间起飞！2.文章干湿结合，湿实验的验证增加了研究结果的准确性和可靠性。3. 通过单细胞测序分析揭示了单个细胞乳酸化活性评分，通过多个数据集建立与验证预后模型，通过肿瘤突变负荷+免疫治疗+免疫细胞浸润等分析揭示了乳酸化相关基因的分子机制，这些分析把文章的宽度和深度大大提高，是文章质量的关键！想要发表高分SCI的小伙伴们也可以借鉴一下本文的研究思路哦~（ps：想了解更多生信分析思路，就来关注生信日报，这里有新鲜出炉的生信热点方向，还有一大波的可复现的创新思路哦~）
题目：一个多维的方法来解开乳酸化相关特征的复杂性在结肠直肠癌的预后和治疗见解
杂志：Journal of Translational Medicine
影响因子：IF=7.4
发表时间：2024年2月
研究背景
乳酸化是翻译后蛋白修饰的一个新贡献者，涉及乳酸分子与蛋白质的共价附着，其在各种肿瘤中表现出失调。结直肠癌（CRC）细胞经常表现出代谢特征，包括乳酸积累，影响肿瘤的发生、发展和免疫环境。CRC细胞中乳酸的积累和外排与免疫细胞的表观遗传调控有关。靶向乳酸化修饰被认为可能具有抑制肿瘤细胞代谢和侵袭能力的治疗潜力，为免疫治疗开辟了新的途径。
数据来源
数据集/队列 |
数据库 |
数据类型 |
详细信息 |
GSE132257 |
GEO |
scRNA-seq |
10个CRC样本 |
TCGA-COAD及TCGA-READ |
TCGA |
基因表达数据及临床数据 |
589例结直肠癌样本 |
GSE39582 |
GEO |
基因表达数据 |
579份结肠癌样本 |
GSE17536 |
GEO |
基因表达数据 |
177份结肠癌样本 |
乳酸化相关基因 |
已发表文献 |
乳酸化相关基因 |
乳酸化相关基因 |
研究思路
利用组织微阵列的免疫组化技术和结直肠癌细胞系的免疫荧光技术，研究了整体乳酸化的存在及其与结直肠癌发生进展的关系，以及它的功能位置。基于单细胞RNA测序数据，利用AUCell算法分析单个细胞乳酸化活性评分。使用单因素分析，确定乳酸化相关基因（LRGs）的预后基因，利用LASSO COX回归分析建立预后特征，并通过GEO数据集验证。通过“Maftools”包分析LRG风险基因的肿瘤突变负荷。本研究采用7种算法(“CIBERSORT”、“MCP counter”、“EPIC”、“ESTIMATE”、“TIMER”、“quanTIseq”、“IPS”)估计肿瘤微环境中免疫细胞的浸润水平。利用TIDE算法评估高危组和低危组之间治疗反应的潜在差异。使用R软件包“prophytic”进行药物敏感性分析。最后在细胞和组织水平上验证了预后核心基因的表达水平。
主要结果
1. 总体乳酸化水平在结直肠癌中上调，并与肿瘤进展相关
首先，本研究探讨了CRC中存在乳酸化及其临床意义。本研究在CRC样本中进行了实验，结果显示，与邻近正常组织相比，癌组织中整体乳酸化水平升高(图1A)。与正常结肠上皮细胞系NCM46相比，CRC细胞系进一步证实了这一观察结果(图1B)。随后，在综合组织芯片上进行了免疫组织化学染色，揭示了与正常组织相比，CRC组织中整体乳酸化水平大幅增加(图1C)，并且随着分期的增加，乳酸化水平上升(图1D)。此外，研究表明，无论是在早期(I-III期)还是晚期(IV期)患者，较高的整体乳酸化水平与不良预后相关(图1E, F)。单因素和多因素Cox回归分析表明，乳酸化水平始终是CRC的一个独立预后因素(图1G, H)。统计上，高乳酸化组表现出更高的复发率和远处转移率，且肿瘤分期更晚期(图1I-K)。这些发现强调了乳酸化作为结直肠癌预后标志物的潜在意义，揭示了其与疾病进展和结局的关系。
图1 总体乳酸化水平在结直肠癌中上调，并与肿瘤进展相关
2. 从单细胞转录组中鉴定CRC中乳酸化相关基因
为了鉴定主要反映乳酸化修饰的基因，本研究对单细胞测序数据进行了深入分析。经过质量控制，精心挑选46286个优质细胞进行后续分析。该研究通过降维技术，成功地将所有细胞聚为22个不同的组，如图2A所示。通过t-SNE(图2B)和UMAP可视化了11个特定细胞簇的分布。根据中位数AUC评分，将其分为高乳酸化AUC组和低乳酸化AUC组(图2C)。很明显，乳酸化相关基因(LRGs)数量较多的细胞往往以红色免疫细胞为主，主要是NK细胞、T细胞和B细胞(图2D)。此外，相关分析揭示了与乳酸化活性最密切相关的基因(图2E)。本研究进一步通过基因集变异分析(GSVA)、基因本体(GO)和疾病本体(DO)分析，在单细胞水平上研究LRGs相关的分子特征。分析表明，乳酸化在“MYC”、“PI3K-AKT-mTOR”、“HYPOXIA”等促肿瘤通路中发挥重要作用，并与“INTERFERON_GAMMA_RESPONSE”、“IL2_STAT5_SIGNALING”和“TGF_BETA_SIGNALING”等免疫相关通路相关(图2F-H)。
图2 从单细胞转录组中鉴定CRC中乳酸化相关基因(LRGs)
3. 新的LRG特征揭示了对结直肠癌预后的强大预测能力
鉴于LRGs与促肿瘤通路之间的相关性，本研究对其在预测结直肠癌预后中的作用进行了分析。单因素Cox回归分析确定了67个与CRC相关的候选基因，如热图所示(图3A)。为了完善本研究的基因选择，通过LASSO Cox回归分析(图3B)，鉴定出23个LASSO回归系数非零的基因，包括RBM17、TERF2IP、AP2M1、NR1H2、MED10、HSPA1B、ARL4C、LY6E、ARPC1B、HSPB1、SLC2A3、RBM3、LGALS4、PTTG1、H2AFY、HMGN2、LEPROTL1、LITAF、ACTG1、RAB5C、METTL9、UBE2I、SFPQ，这些基因构成了LRGS的预后模型 (图3C)。根据中位风险评分将患者分为高危组和低危组，用于评估LRG信号的预后价值。Kaplan-Meier生存分析显示，TCGA-CRC患者和GSE39582和GSE17536的CRC患者的总生存期(OS)在两组之间存在显著差异。此外，进行ROC分析来评估该特征的预测能力。1-、2-、3-、4-和5年AUC值对TCGA训练集、GSE39582测试集和GSE17536测试集表现出较强的预测能力(图3D-F)。总之，这种LRGS模型是预测结直肠癌预后的一种强大而有前途的工具。
图3 新的LRG特征揭示了对结直肠癌预后的强大预测能力
4. LRGs中心基因表达模式的验证
为了进一步确认这些构成预后模型的乳酸化基因在肿瘤微环境(TME)中的分布，本研究重新分析了scRNA-seq数据。结果显示，HSPB1、ACTG1、SFPQ、RBM3、LY6E、AP2M1、RAB5C、MED10、RBM17、METTL9、LGALS4在上皮细胞和内皮细胞中主要表达，LEPROTL1、TERF2IP在T细胞和NK细胞中普遍表达，ARL4C、ARPC1B、SLC2A3、H2AFY、LITAF在单核细胞、巨噬细胞中显著表达(图4A)。此外，NR1H2、PTTG1在所有细胞簇中均低表达。23个LRGs单细胞水平的KEGG富集分析也表明LRGs与吞噬体、抗原加工和提呈等相关(图4B)。随后，对不同细胞系中特征基因的表达进行了全面评估。值得注意的是，与正常细胞系NCM460相比，RBM17、TERF2IP、AP2M1、NR1H2、MED10、HSPA1B、ARL4C、LY6E、ARPC1B、HSPB1的RNA表达水平在CRC细胞系HCT116、HCT15、HCT8、SW620、SW480、SW1116、RKO和DLD1中显著升高(图4C)。此外，为了加强这些基因表达改变在结直肠癌中的重要性，本研究进一步检查了它们在临床组织中的水平(图4D)。最后，本研究扩展到一些选择的核心风险基因，包括AP2M1, LY6E, ARL4C, ARPC1B和TERF2IP，通过免疫组化得出的结果与在RNA层面中得出的结果一致 (图4E-I)。
图4 LRGs中心基因表达模式的验证
5. LRG信号的生物学机制预测
为了探索高、低风险人群之间转录组学的分子意义，本研究在TCGA队列中深入研究了LRGs模型的基因组异质性。本研究对LRGs的突变图谱进行了研究，并与APC、TP53、TTN和KRAS等频繁突变的基因进行了相关性分析(图5A, B)，结果显示LRGs不携带大量突变负荷，但与促肿瘤通路如“RTK-RAS”、“WNT”、“Hippo”、“PI3K”、“MYC”和免疫相关通路如“TGF-β”密切相关(图5C)。随后，进行了功能富集分析，以揭示导致高危患者预后不良的过程。在GSEA分析中，高危组在“ANGIOGENESIS”、“APICAL JUNCTION”、“COAGULATION”和“EPITHELIAL MESENCHYMAL TRANSITION”中表现出富集(图5D)。相比之下，低风险组在“E2F TARGETS”、“MYC TARGETS”、“氧化磷酸化”、“G2M CHECKPOINT”和“MTORC1 SIGNALING”等通路中表现出富集(图5E)。此外，本研究对标志物通路活性与LRG风险评分进行了相关性分析，揭示了高风险组和低风险组之间的明显特征，进一步验证了高风险与上皮间充质转化、血管生成、缺氧、notch信号相关，并在免疫信号如IL2-STAT5信号、TGFβ信号、IL6 Jak stat信号、IFNγ信号等中发挥重要作用(图5F)。
图5 预测与LRGs风险相关的生物学机制
6. LRG评分重塑免疫细胞浸润景观
本研究通过七种不同的算法分析乳酸化水平与免疫信号之间的相关。研究结果一致地表明，低风险肿瘤中T细胞浸润增加(图6A)。此外，通过CIBERSORT算法对22种免疫细胞景观进行评估，发现T细胞亚型存在显著差异，在高LRG评分中，CD4记忆细胞浸润率较低，Treg和巨噬细胞浸润率较高(图6B)。单样本基因集富集分析(ssGSEA)重申了这些发现，强调了低风险组中强大的抗肿瘤免疫反应(图6C)。在探索风险评分与免疫治疗生物标志物之间的关系时，本研究观察到高危组中PD-1和PDCD1等免疫检查点基因(ICGs)的表达升高，提示潜在的治疗靶点(图6D)。通过多重免疫组化验证证实了ARL4C、ARPC1B和TERF2IP在肿瘤组织中的突出地位，它们的表达与CD8 T细胞的存在呈负相关(图6E、F)。
图6 LRG评分重塑免疫细胞浸润景观
7. LRG特征对免疫治疗的预测价值
随后，本研究分析了预后模型对接受ICI治疗的CRC患者的预测能力。利用TIDE评分，观察到高危组的排除评分、功能障碍评分和总体TIDE评分显著增加(图7A, B)。这表明高危患者免疫逃逸的可能性增加，可能导致ICI治疗的有效性降低。亚类映射(Submap)结果进一步表明，低风险组可能对PD-1治疗更敏感 (图7C)。此外，本研究验证了多个免疫治疗数据集的有效性，IMvigor数据集显示低风险组的生存结果更好(图7D)，抗pd - l1免疫治疗的反应也更好(图7E)。这种趋势在不同阶段持续存在，低风险患者在I期或II期(图7F)和III期或IV期(图7G)均表现出更好的预后。在GSE78220数据集中获得了一致的结果，进一步证实了低风险组对免疫治疗的良好反应(图7H, 1)。这项综合分析强调了本研究的预后模型在预测CRC患者免疫治疗方面的潜力。
图7 LRG特征对免疫治疗的预测价值
8. 为高LRGs组寻找潜在的治疗药物
为了确定高LRGS的结直肠癌患者的潜在治疗方案，本研究采用了化学药物和靶向药物的综合分析（图8A）。基于CTRP和PRISM数据集中敏感性数据，在CTRP数据集中，GANT-61、NSC23766和PRIMA-1成为潜在的候选药物(图8B)，而PRISM数据集中发现了罗米地辛、氯拉替尼、磷酸二唑脂等为潜在的候选药物(图8C)。这些药物的AUC值在高LRGs组明显较低，表明敏感性较好。此外，本研究评估了四种化疗药物在两个危险组中的半最大抑制浓度(IC50)。在低危组中，顺铂、吉西他滨和紫杉醇的IC50值明显低于高危组，提示对低危患者有潜在的益处。相反，吉非替尼在高危组显示较低的IC50，使其更适合该组(图8D-G)。9个LRGs相关基因，包括ARPC1B、TERF2IP、ARL4C、UBE2I、LGALS4、SFPQ、HMGN2、LEPROTL1和H2AFY，与特定化疗药物的敏感性相关 (图8H)。
图8 为高LRGs组寻找潜在的治疗药物
文章小结
总之，本研究从临床高需求问题入手，选择明星热点话题“乳酸化”进行研究，选题创新性满满，相当容易吸人眼球！其次，预后模型、单细胞测序、突变景观、生物学功能、免疫细胞浸润、免疫治疗反应等方面研究，加深了文章的深度，大大提高了文章的质量！同时利用生信+实验相结合的方法，加强靶点的可信度，所以直接拿下7分+，效果棒棒哒！想在乳酸化方向做点新东西的小伙伴，不要错过这个好思路，可以换个癌种复现，还可以拓展做国自然课题，一举两得，有需要的小伙伴可以来找小记者做设计哟~
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