Studies on the role of tryptophanyl-tRNA synthetase in tumorigenesis = 종양 형성과정에서 tryptophanyl-tRNA synthetase 의 역할 규명

국문 초록 (Abstract)

요약 (국문 초록)

종양 형성 과정에서 tryptophanyl-tRNA synthetase 의 역할 규명

목적:

암 면역요법은 다양한 암 치료법의 한 종류로써 인체의 면역시스템을 활성화하여 암을 극복하는 방법이다. 보통 암세포는 면역 세포인 T 세포에 인식되어 파괴되는데, 암 세포는 IDO1, PD-L1, PD-1, CTLA4, FOXP3 와 같은 면역 회피 인자들을 사용하여 T 세포의 공격을 회피할 수 있게 된다. 이로 인해, T 세포가 제대로 기능하지 못하는 상태를 T 세포 탈진이라고 한다. 본 연구에서는 유전체 분석과 실험 검증을 통하여 단백질 합성 효소 중 하나인 WRS 가 특정 암의 미세환경에서 탈진 상태의 T 세포가 본연의 기능을 회복할 수 있도록 돕는 역할에 대해 알아보고자 하였다.

방법:

단백질 합성에 관여한다고 알려진 ARS 의 기본적인 역할 이외에 새로운 기능을 밝혀내기 위하여 총 31개의 TCGA 암종과 23개의 ARS 에 대하여 2만여개의 유전자와 상관 분석을 하였고, 이중 가장 robust 하게 나온 ARS 와 gene ontology 를 고른 다음, 선별된 ARS 가 주로 어떠한 유전자들과 함께 움직이는지 확인하고자 31 종류의 암에서 상관계수가 0.5 이상인 유전자들을 선별하여 전반적으로 어떤 pathway 에 영향을 받는지 보았다. 다음으로 31 개의 암 종에서 선별된 ARS 가 환자 생존율에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였으며, MCP counter 를 사용하여 앞선 분석을 통해 얻어낸 특정 ARS 와 연관성이 높은 pathway molecule 들이 주로 어떤 종류의 면역 세포들과 상호작용 하는지 그리고 특정 ARS 가 매우 높게 발현 되었을 때, 매우 낮게 발현된 그룹에 비해 어떤 signaling pathway 에 관여하고 있는지 알아보았다. 실험적으로, 선별된 ARS 가 종양 환경에서 특정 signal 을 주었을 때, 세포 밖으로 secretion 되는지 확인하였다. 또한 TCGA 분석에서 추출한 co-expressed molecule 들의 패턴은 어떠한지 확인하였다. 다음으로, 면역계가 살아있는 쥐에서 선별한 ARS 를 복강 주사 하였을 때, 컨트롤 대비 ARS 를 처리한 암 종에서 종양 크기의 변화를 확인한 뒤, 적출한 암 조직으로 RNA-sequencing 분석을 하여 생체 수준에서 보인 phenotype 의 원인을 알아보고자 하였다.

결과:

TCGA 환자의 transcriptome 데이터를 사용하여 31 개의 암종과 23 개의 ARS 에 대해서 상관 분석을 하여 기능별로 분류한 결과, WRS 와 면역반응과의 연관성이 다양한 암종에서 가장 유의하게 나타났다. 또한 다양한 암 종에서 상위에 IFNγ 경로 유전자들과 면역 억제 유전자들을 확인하였다. 특히 흑색종에서 종양의 전이나 재발이 일어나지 않은 89 명의 환자들만 따로 선별했을 때, WRS 가 높게 발현되는 그룹에서 생존율 증가 뿐 아니라 면역치료시 좋은 효과를 보이는 ICR 인자들이 높게 발현함을 확인하였다. WRS 는 IFNγ 경로와 잘 연결되어 있는 암종들에서 전반적으로 T 세포와의 상호작용이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 면역 세포와 암 세포가 함께 섞여있는 dynamic 한 생체 환경에서 세포 밖으로 분비된 WRS 가 어디에서 어떻게 작동하는지 알기 위해 B16F10 흑색종 세포와 Jurkat T 세포 두가지 세포, 마우스에서 실험을 진행한 결과, secreted WRS 는 in vitro 환경에서 pAKT 경로를 억제하여 IDO1, PD-L1 과 같은 면역억제 인자들을 감소시키며 in vivo 환경에서도 EMT 인자들을 감소시킴으로 궁극적으로 억제되어 있던 T 세포의 활성화를 통한 anti-tumor phenotype 에 기여하는 것으로 보인다.

결론:

TCGA 암유전체 공공데이터 분석을 통하여 단백질 합성효소 중 하나인 WRS 가 IFNγ 경로와 면역 억제 유전자들과 연관이 되어 있고, 이들은 전반적으로 T 세포와의 상관관계가 높음을 확인하였다. 특히 흑색종 환경에서 WRS 의 발현량이 높을 때, ICR 유전자들의 발현량이 높았으며 환자의 생존율 또한 증가하는 패턴을 보였다. 그 중 세포 밖으로 분비된 WRS 는 in vitro 환경에서 pAKT 경로를 억제하여 IDO1, PD-L1 과 같은 면역억제 인자들을 감소시키며 in vivo 환경의 경우 WRS 처리 그룹에서 tumor growth 가 저해되는 패턴을 보이는데, 적출한 조직으로 RNA-sequencing 분석을 하였을 때 전이와 면역항암제 저항성과 연관이 있는 EMT 현상이 감소되므로 궁극적으로 억제되어 있던 T 세포 면역체계의 복구를 통한 anti-tumor phenotype 과 연관성이 있음을 확인하였다.

주요어:

암 유전체 지도, 트립토파닐 티알엔에이 합성효소, Immunological constant of rejection, 상피간엽이행, 탈진 T 세포, 종양 미세환경, 흑색종, 개인 맞춤 암 면역치료

국문 초록 (Abstract)

요약 (영문 초록)

Studies on the role of tryptophanyl-tRNA synthetase in tumorigenesis

Purpose:

Cancer immunotherapy is an emerging treatment method by rehabilitating our own immune system. Cancer cells disguise themselves using immune suppressive molecules such as IDO1, CD274, PDCD1, CTLA4 and FOXP3. Since IFNγ is essential for cytotoxic T cell responses in tumor microenvironment, any defects on this pathway may confer resistance to immunotherapy. However, these factors may pose opposite effects on certain tumor types. For this reason, personalized cancer immunotherapy is important to optimize therapeutic efficacy of each patient. In this study, through genome-wide correlation profiling, I propose that one of the aminoacyl- tRNA synthetases, tryptophanyl-tRNA synthetase is a crucial factor that can modulate T cell immunity. Also, secreted WRS has an anti-tumor effect by downregulation of immune- suppression and epithelial-mesenchymal transition in skin cutaneous melanoma.

Methods & Results:

Through genome-wide co-expression analysis among 31 tumors from the cancer genome atlas (TCGA) with 23 aminoacyl-tRNA synthetase (ARS) genes, WARS and immune response was selected for the most robust non-canonical function. In addition to this, IFNγ pathway genes, immune suppressive genes and T cell related genes were highly correlated with WARS. Skin cutaneous melanoma displayed the highest WARS expression among 31 tumors and showed favorable prognostic impact on patient survival. Also in this tumor, significant co-expression between immunological constant of rejection (ICR) genes that are well known for the positive predictor of responsiveness to immunotherapy and WARS was observed. Experimentally increasing the dosage of IFNγ in B16F10 induced extracellular secretion of full-length WRS and upregulation of IFNγ pathway genes including immune suppressive factors, such as IDO1, PD- L1 and oncogenic pathway factor pAKT. However, IDO1 and pAKT showed downregulated pattern in the presence of full-length WRS. In case of Jurkat, not much change was shown in the presence of IFNγ, however PD-L1, PD-1 and pAKT showed downregulated pattern in the high dosage of full-length WRS. Moreover, in case of concomitant condition with IFNγ and full-length WRS, upregulation of IDO1, PD-L1 and pAKT by IFNγ were significantly downregulated by the dose dependent full-length WRS treatment in spite of the presence of IFNγ. In addition to this, full-length WRS treated mice showed higher tumor growth inhibition pattern when compared with the control mice. Lastly, RNA-sequencing of the extracted tumors revealed downregulation of epithelial-mesenchymal transition in full-length WRS treated group. Therefore, secreted WRS has a therapeutic potential for enhancing the response rate of anti-PD-1 non-responders.

Conclusion:

We elucidate the role of WRS as a biomarker and therapeutics in tumorigenesis

Keywords:

The Cancer Genome Atlas, Tryptophanyl-tRNA synthetase, Immunological constant of rejection, Epithelial-mesenchymal transition, T cell exhaustion, Tumor microenvironment, Skin cutaneous melanoma, Personalized cancer immunotherapy

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Contents 4
• List of abbreviations and figures 7
• Chapter I.
• Title 10
• Introduction 11
• Results 12
• Discussion 51
• Material & Methods 53
• References 54
• Chapter II.
• Title 60
• Introduction 61
• Results 63
• Discussion 83
• Material & Methods 85
• References 89
• 국문초록 95