Nature：透过现象看本质，黑色素瘤抗肿瘤免疫的新机制

来源：BioArt

癌细胞有能力适应和避开宿主免疫检查点和监测，以此促进自身存活。虽然这种适应能力的确切分子机制仍有很大未知，但其中一个关键的信号通路即涉及程序性死亡-1（PD-1）及其配体PD-L1和PD-L2。抗PD-1单克隆抗体的临床研究结果证实了通过PD-1受体阻断靶向宿主免疫检查点机制可产生持久的抗肿瘤反应，从而改善无进展生存期(PFS)和总生存期(OS)。但是，从中获益的患者却只有一小部分。这提示我们，仍然需要进一步的阐明肿瘤微环境中与反应和耐药相关的基本免疫学特征，以此提高抗PD-1单药治疗的覆盖率，同时也要深入揭示与PD-1检查点相结合的其他免疫决定因素的联合阻断方法【1】。

某些因素，如暴露于紫外线辐射、吸烟和慢性病毒感染，会破坏参与DNA复制和修复的关键基因，导致细胞异常生长。作为回应，机体会启动一个协调的先天性和适应性抗肿瘤免疫反应，导致干扰素γ（IFN-γ）的产生。IFN-γ是肿瘤微环境中由活化的T细胞、自然杀伤细胞（NK）和NK T细胞产生的关键细胞因子，在这一过程中起着重要的协调作用。高水平的浸润性T细胞和IFN-γ信号反映了广泛的肿瘤炎症，可以改善黑色素瘤患者对检查点免疫治疗的反应。然而，肿瘤的适应性可以利用正、负免疫信号因子的微妙平衡，激活免疫抑制细胞途径而逃脱宿主免疫。同样的IFN-γ信号过程最终会诱导反馈抑制，从而损害抗肿瘤免疫。作为这个反馈回路的一部分，IFN-γ信号通过直接上调肿瘤、免疫浸润和基质细胞中的配体PD-L1和PD-L2来激活PD-1信号轴，这些配体与肿瘤浸润性T细胞上的PD-1相互作用从而下调细胞毒性反应【1,2】。另一方面，IFN-γ可以诱导肿瘤微环境中其他关键免疫抑制分子的表达，如吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）。IDO1可通过GCN2途径、mTOR途径、犬尿氨酸毒性作用和有利于Terg分化等途径降低色氨酸，催化色氨酸转化为犬尿氨酸，在这个过程中，未负载的tRNA增加，从而对蛋白质翻译过程产生负面影响。另一方面，产生的一系列有毒的犬尿氨酸代谢产物会抑制T细胞的功能，促进免疫耐受。多种癌症都被证实存在IDO1的过表达，因此，IDO1也逐渐成为肿瘤治疗抑制剂的有利靶点【3,4】

尽管如此，在黑色素瘤患者的临床试验中发现，与抗PD-1单药治疗相比，使用IDO1抑制剂联合阻断PD-1通路并没有提高治疗效果，由此提示目前人们对于IDO1的作用以及随后色氨酸在mRNA翻译和癌症进程中的降解机制仍然缺乏真正的理解。

2020年12月16日，来自荷兰癌症研究所的Reuven Agami团队和以色列魏茨曼科学研究所的Yardena Samuels团队在Nature上在线发表题为“Anti-tumour immunity induces aberrant peptide presentation in melanoma”的文章，在黑色素瘤细胞中利用核糖体分析来研究长期IFN-γ处理下对mRNA翻译的影响，发现在色氨酸缺乏时，核糖体可在色氨酸密码子处停滞并在下游积累，并发生核糖体移码事件，从而在细胞表面诱导产生异常肽。由此揭示了IFN-γ诱导的IDO1介导的色氨酸耗竭，可以通过促进肽段结构多样化而在黑色素瘤细胞的免疫识别中发挥作用。

肿瘤细胞可以通过上调几种氨基酸转运体和WARS（色氨酸酰tRNA合成酶）的表达来补偿IFNγ诱导的色氨酸缺乏。一旦色氨酸得到补充，这就可以提高细胞存活率并加速恢复。那么持续的IFNγ介导的色氨酸缺乏对黑色素瘤的长期影响又是怎样的呢？

为了解决这个问题，研究人员用IFNγ处理黑色素瘤细胞系，然后进行核糖体分析，并通过差异核糖体密码子阅读（diricore）分析核糖体保护片段（RPF），以检测密码子水平上核糖体占有率的差异模式。结果发现，与色氨酸缺失细胞一样，IFNγ处理的细胞的翻译起始也受到整体抑制，ATG起始密码子处的RPF密度降低，值得注意的是在色氨酸密码子下游出现大量的RPF积累，被称为“W型突起”。由此表明，色氨酸的缺失不仅会导致色氨酸密码子处核糖体的阻滞，而且还会导致色氨酸密码子下游核糖体的积累。

值得注意的是，研究人员发现尽管在对照细胞中，没有一个密码子在突起附近富集，但IFNγ的处理可在突起上游20个氨基酸附近诱导一个色氨酸信号。进一步地，研究人员分析了两组蛋白质，其中一组中两个色氨酸残基在8个氨基酸内被编码（<8组），另一组中两个色氨酸被超过8个氨基酸分开（>8组）。结果显示<8组具有更强的“W型突起”，以及IFNγ介导的蛋白表达减少。由此表明IFNγ诱导的“W型突起”的形成与8个密码子区域内多个色氨酸密码子的存在有关，“W型突起”在IFNγ信号通路介导的蛋白质合成抑制中发挥着重要的生物学功能。

鉴于“W型突起”的上述特征，研究人员认为“W型突起”可能与核糖体出口通道中新生肽的二级结构有关。研究结果显示，在蛋白质组中，“W型突起”周围的多肽序列比其他区域更容易形成α-螺旋结构。而色氨酸的缺乏可通过核糖体移码事件绕过核糖体失速位点，导致α-螺旋结构丢失，阻碍核糖体的进程。由此也提示“W型突起”形成的部分原因可能是核糖体通过移码绕过色氨酸密码子，但随后在其下游出口通道中出现了翻译框之外的异常多肽而暂停所致。与此同时，结合蛋白质组学和免疫肽组学分析也证实了色氨酸缺失在IFNγ诱导嵌合跨翻译框蛋白中的因果作用。进一步地在整个蛋白质组中寻找异常多肽，研究人员检测出124个不存于任何编码框内多肽中的编码框外和跨编码框多肽（包括假基因或上游开放阅读框）。值得注意的是，尽管IFNγ的处理导致蛋白质组多肽的强度降低（可能是由于mRNA翻译减少），但大多数异常肽只在IFNγ处理条件下出现。由此表明在用IFNγ处理后，色氨酸残基上发生了内源性移码事件。

与在IFNγ处理细胞中观察到的蛋白质特征一致，研究人员也观察到人白细胞抗原（HLA）分子对免疫蛋白酶体和抗原提呈的强烈诱导作用。由于HLA递呈的肽大部分来自新合成的、快速降解的蛋白质，以及隐藏的、非经典翻译的蛋白质，那么IFNγ处理诱导的异常多肽是否也会被递呈到细胞表面呢？实验结果给出了肯定的答案。从来自黑色素瘤细胞的免疫肽学数据以及来自同一患者的新鲜转移瘤中，研究人员检测到94个HLAⅠ类（HLA-I）结合的异常肽，其中13个在转移灶中特异表达，81个在MD55A3细胞中有表达，并且IFNγ处理后这些多肽更容易富集。此外用这些异常多肽可以启动来自健康供者的原始T细胞诱导多肽特异性T细胞。由此表明IFNγ诱导的异常多肽的内源性产生及其在细胞表面的递呈，并且可以引起T细胞的免疫应答。

综上所述，本文发现黑色素瘤细胞长期暴露于IFNγ（来源于它们与T细胞的相互作用）可诱导IDO1介导的色氨酸耗竭。尽管色氨酸耗竭导致核糖体在色氨酸密码子上的阻滞，但是mRNA翻译仍然可以通过核糖体移码进行，从而导致核糖体出口通道内产生了翻译框外和跨框架的异常多肽以及二级结构的丢失，色氨酸密码子下游核糖体积累。而这些异常多肽不仅可在整个蛋白质组中被检测到，也可以被HLA-I递呈到黑色素瘤细胞表面，启动T细胞（下图）。由此揭开了肿瘤细胞应对氨基酸短缺时的新的翻译机制，为黑色素瘤递呈HLA多肽的复杂背景提供了新的见解。

IFNγ信号传导效应的示意图

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03054-1

参考文献

1. Pardoll DM. The blockade of immune checkpoints in cancer immunotherapy. Nat Rev Cancer. 12(4):252–264 (2012).

2. Ji, R. R. et al. An immune-active tumor microenvironment favors clinical response to ipilimumab. Cancer Immunol. Immunother. 61, 1019–1031 (2012).

3. Fangxuan Li, Rupeng Zhang et al. IDO1: An important immunotherapy target in cancer treatment. Int Immunopharmacol. 47:70-77 (2017).

4. Zhai, L. et al. Molecular pathways: targeting IDO1 and other tryptophan dioxygenases for cancer immunotherapy. Clin. Cancer Res. 21, 5427–5433 (2015).

　　来源：BioGossip BioArt

　　原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQyNjY1MQ==&mid=2652514635&idx=1&sn=15e21c7c704731fa2e94682057bab7a5

　　版权声明：除非特别注明，本站所载内容来源于互联网、微信公众号等公开渠道，不代表本站观点，仅供参考、交流、公益传播之目的。转载的稿件版权归原作者或机构所有，如有侵权，请联系删除。

　　电话：（010）86409582

　　邮箱：kejie@scimall.org.cn