Heterogeneity analysis of low-risk HPV infection and high-risk HPV infection, HPV-positive and HPV-negative cancers

Wei, Erdong (2023): Heterogeneity analysis of low-risk HPV infection and high-risk HPV infection, HPV-positive and HPV-negative cancers. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Zahlreiche Studien belegen, dass humane Papillomaviren (HPV) Krebs verursachen können. Allerdings haben nur wenige Studien die Heterogenität von HPV-infizierten oder nicht-infizierten (HPV-pos. und HPV-neg.) Krebserkrankungen untersucht. Zu-dem werden HPV-Infektionen mit niedrigem Risiko in der Regel mit gutartigen Läsio-nen in Verbindung gebracht, wobei sich nur wenige Studien mit der Heterogenität von HPV-Infektionen mit niedrigem und hohem Risiko befasst haben. Mit der Ent-wicklung von Next-Generation-Sequenzierung ist es möglich, Genome auf Einzelzel-lebene zu amplifizieren und zu sequenzieren, so dass die Heterogenität der Zellen mithilfe der Einzelzellsequenzierungstechnologie beobachtet werden kann. Auf die-ser Grundlage werden zukünftig eine genauere Diagnose und Behandlung von HPV-Patienten möglich sein. In dieser Studie wurde versucht, dieses Problem zu lösen, indem die Einzelzellse-quenzierung mit der bulk-RNA-Sequenzierung kombiniert wurde, wobei die Einzel-zellsequenzierungsdaten Veränderungen auf zellulärer Ebene lieferten und die bulk-RNA-Sequenzierungsdaten große Stichprobengrößen mit passenden klinischen In-formationen enthielten. Die beiden wurden kombiniert, um mit Hilfe mehrerer Me-thoden wie Seurat für Zellcluster, CIBERSORT für Variationen der Immuninfiltration, WGCNA für charakteristische assoziierte Gencluster usw. zu analysieren. Zunächst wurde die Hypothese aufgestellt, dass es eine Heterogenität zwischen HPV-pos. und HPV-neg.-Karzinomen gibt, und zwar von der Transkriptionsebene bis hin zur Immuninfiltration. Durch die Untersuchung von Gebärmutterhalskrebs, die mit Hochrisiko-HPV-Infektionen assoziiert ist, wurde bestätigt, dass CD8+ T-Zellen und B-Zellen herunterreguliert wurden, während T-Reg-Zellen, CD4+ T-Zellen und Epithelzellen in der HPV-pos.-Zervixkrebsgruppe hochreguliert waren. Die Analyse gutartiger Läsionen, die mit einer Niedrigrisiko-HPV-Infektion assoziiert sind, ergab Folgendes: Eine Niedrigrisiko-HPV-Infektion weist ähnliche genetische Veränderun-gen auf wie eine Hochrisiko-HPV-Infektion. Genetische Veränderungen, die durch eine Niedrigrisiko-HPV-Infektion verursacht werden, können auch die Prognose von Krebspatienten beeinflussen. Die Analyse von AIN3 und ASCC, CIN3 und CESC, präkanzerösen Läsionen und Tumoren, die in engem Zusammenhang mit Hochrisiko-HPV-Infektionen stehen, bestätigte auch, dass die Auswirkungen von Niedrigrisiko-HPV-Infektionen und Hochrisiko-HPV-Infektionen Ähnlichkeiten und Unterschiede aufweisen. Die Veränderungen in den Immunzellen waren bei den verschiedenen HPV-Infektionen teilweise gleich, während der Rest der Veränderungen in den Im-munzellen durch die Krankheit selbst verursacht werden kann. Die Induktion von oxidativem Stress ist bei den verschiedenen HPV-Infektionen gleich, was zu oxidati-vem Stress führt, der DNA-Schäden verursacht und das optimale Umfeld für eine maligne Transformation schafft. Schließlich wurde diese Erkenntnis durch in-vitro-Experimente bestätigt, bei denen sowohl normale als auch Krebszelllinien, die mit HPV transfiziert wurden, eine erhöhte Proliferation und eine hohe Expression von mit oxidativem Stress verbundenen Genen aufwiesen, und die hoch exprimierten Gene waren in der Lage, die Empfindlichkeit von mit oxidativem Stress assoziierten Inhibitoren zu erhöhen. Die Bedeutung dieser Studie liegt in der Erklärung der Heterogenität zwischen HPV-pos. und HPV-neg.-Karzinomen und in der Entdeckung, dass die Gemeinsamkeit zwi-schen Niedrigrisiko-HPV-Infektionen und Hochrisiko-HPV-Infektionen im oxidativen Stress liegt. Dies könnte eine wichtige Entdeckung für eine künftige Präzisionsmedi-zin sein, damit Patienten mit HPV-assoziierten Krebserkrankungen präzise gezielte Behandlungen erhalten können.

Abstract

Numerous studies have established the causal relationship between Human Papil-lomavirus (HPV) and cancer development. Nevertheless, there exists a paucity of research efforts dedicated to investigating the heterogeneity observed in HPV-associated cancers, differentiating between HPV-positive (HPV-pos.) and HPV-negative (HPV-neg.) cases. Furthermore, while low-risk HPV infections have tradi-tionally been linked to benign lesions, investigations exploring the intricacies within both low-risk and high-risk HPV infections have been limited in scope. The advent of next-generation sequencing technologies, particularly single-cell sequencing, has revolutionized the field by facilitating genome amplification and sequencing at the single-cell level. This cutting-edge technology offers the unique capability to eluci-date cellular heterogeneity, presenting a promising avenue for enhancing the preci-sion of diagnostic and therapeutic approaches for HPV-infected patients, capitalizing on this newfound understanding of variability within the disease. This study aimed to address this issue by integrating single-cell sequencing with bulk-RNA sequencing and DNA methylation sequencing. Single-cell sequencing data illuminated cellular-level alterations, while bulk-RNA sequencing and DNA methyla-tion sequencing data encompassed larger sample sizes with accompanying clinical information. The analytical toolbox included methods such as Seurat for cell cluster-ing, CIBERSORT for assessing immune infiltration variations, and WGCNA for identi-fying clusters of genes with characteristic associations. Initially, we hypothesized that heterogeneity exists between HPV-pos. and HPV-neg. cancers, spanning from the transcriptional level to immune infiltration. In the con-text of the most well-established high-risk HPV infection-associated cancer, cervical cancer, CD8+ T cells and B cells were observed to be down-regulated, whereas T-reg cells, CD4+ T cells, and epithelial cells were up-regulated in the HPV-pos. cervical can-cer group. Subsequent analysis of benign lesions associated with low-risk HPV infec-tion revealed shared genetic alterations with high-risk HPV infection, and these ge-netic alterations impacted the prognosis of cancer patients. Furthermore, the exam-ination of AIN3 and ASCC, CIN3 and CESC, precancerous lesions, and tumors firmly linked to high-risk HPV infection reaffirmed that while low-risk HPV infection and high-risk HPV infection share similarities, differences also exist. Changes in immune cells were partially consistent across different HPV infections, while other immune cell alterations may be attributed to the disease itself. It was observed that oxida-tive stress, common to various HPV infections, induced DNA damage, creating an environment conducive to malignant transformation. This finding was further cor-roborated by in vitro experiments, where both normal and cancer cell lines trans-fected with HPV exhibited increased proliferation and upregulated expression of oxidative stress-related genes. These highly expressed genes increased sensitivity to oxidative stress-associated inhibitors. The significance of this study lies in elucidating the heterogeneity between HPV-pos. and HPV-neg. cancers and identifying oxidative stress as a common factor in low-risk and high-risk HPV infections. Additionally, the altered sensitivity to genetic inhibi-tors resulting from HPV-induced genetic changes offers novel prospects for the treatment of HPV-pos. cancers, potentially paving the way for precision medicine approaches tailored to patients with HPV-associated cancers.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. November 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Reinholz, Markus