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研究目的:免疫检查点抑制剂(Immune check-point blockade,ICB)疗法(如CTLA-4单抗和PD-1单抗)的应用已经明显的改善了晚期黑色素瘤病人的生存预后。然而,免疫治疗的临床获益受限于较高的无应答率(60%-70%)。在本研究中,我们试图评估与ICB疗效和病人生存相关的基因组特征,以便深入了解免疫应答和临床获益的潜在机制。研究方法:我们收集了来自六个黑色素瘤免疫治疗队列的研究数据,整合了336例样本ICB治疗前肿瘤组织全外显子测序的突变信息。同时收集了这些患者的临床资料,包括性别、年龄、肿瘤分期、免疫应答状态、免疫抑制剂的分类、病人的生存状态以及随访的生存时间等。其中72例样本具有RNA-seq的肿瘤表达谱数据,224例样本具有肿瘤新抗原的HLA分型及突变肽链信息。我们应用Mut Sig CV算法重新寻找黑色素瘤的显著突变基因(SMG),并探索其与免疫治疗预后的关系。CIBERSORT算法用来评估不同样本的各类免疫细胞亚群的浸润水平;GSEA分析不同亚组差异基因的通路富集情况。此外,我们也对体细胞突变数据利用非负矩阵分解算法提取黑色素瘤的突变特征,鉴定其与免疫应答之间的关联性。最后,我们使用新抗原质量拟合模型分析肿瘤新抗原与IEDB抗原表位之间的同源性,并利用拟合后的新抗原质量鉴定免疫应答者。研究结果:1、在336例黑色素瘤样本中,我们总共检测到222580个体细胞突变,每个病例的肿瘤突变负荷在1到9210之间,中位数为331。免疫应答病人的肿瘤突变负荷显著高于无应答的病人(TML,中位数390 vs.270,P=0.035)。Mut Sig CV算法分析共找到60个显著突变基因。其中,除了黑色素瘤中比较常见的突变驱动基因,如BRAF,NRAS,NF1,PREX2,ARID2,PTEN等,我们还鉴定出8个新的与免疫治疗预后相关的SMGs,包括COL5A1、COL28A1、DGKG、SEMA3E、RAPGEF5、GLDN、NCF2和RCAN2。其中携带COL5A1突变的病人预后更好,对免疫治疗更加敏感(log-rank检验,P=0.031)。为排除混杂因素的影响,我们又进一步将多个临床指标和COL5A1突变纳入Cox生存回归分析,发现COL5A1突变与免疫治疗的预后显著相关(HR,0.57[95%CI,0.35-0.94],P=0.028)。此外,携带有COL5A1基因突变的病人,其肿瘤突变负荷明显高于未携带此突变的病人。在PD-1和CTLA-4单抗治疗的样本分层分析中显示具有COL5A1突变的病人同样表现出更好的预后。2、黑色素瘤原发灶的基因表达谱解析结果(CIBERSORT)显示COL5A1基因突变型样本相对于野生型具有更多的CD8+T细胞、活化的NK细胞等免疫细胞的浸润(P<0.05);而未活化的CD4+记忆T细胞和中性粒细胞等则更多的富集在COL5A1野生型的样本中(P<0.05)。GSEA结果显示COL5A1的突变影响一系列参与抗原处理提呈,免疫激活相关因子,细胞周期调控等相关的信号通路。3、黑色素瘤的单核苷酸变异主要以C>T为主。我们从黑色素瘤的体细胞突变数据中提取到6个突特征(signature),与COSMIC体细胞突变数据库比对后,分别为突变signature 7(75.9%),signature 11(14.8%),signature 3(4.2%),signature 1(2.5%),signature 26(1.5%)和signature 18(1.1%)。在纳入性别、年龄、分期的多因素logistic回归分析中发现signature 3是ICB治疗预后不佳的相关因素,携带突变signature 3病人具有更弱的免疫应答能力(OR,2.79[95%CI,1.18-7.40],P=0.026)。Cox多因素生存回归分析中也发现具有signature 3的病人预后更差(HR,1.53[95%CI,1.00-2.34],P=0.049)。在不同免疫抑制剂的分层分析中,携带有signature 3的病人无论接受抗PD-1还是抗CTLA-4抗体疗法同样表现出对免疫治疗更差的应答能力。4、通过与IEDB数据库中微生物抗原表位比对后重新分析得到每个病人的肿瘤新抗原质量得分,发现高质量组接受ICB治疗后的总生存期明显延长(log-rank test,P=0.009)。在多因素Cox回归分析中也发现较高的新抗原质量是免疫治疗的保护因素(HR,0.56[95%CI,0.38 to 0.82],P=0.003)。研究结论:本研究基于目前最大样本量的黑色素瘤ICB治疗的基因组学研究,新发现了三个与黑色素瘤免疫治疗应答相关的特征,分别是显著突变基因COL5A1,突变signature 3,肿瘤新抗原质量。其中具有COL5A1突变、高质量新抗原的病人与更好的免疫应答相关,具有突变signature 3的病人则对ICB治疗更加不敏感。此外,同时满足这三个特征的病人免疫应答能力好于单独具备任何一个特征的其他病人。