《细胞》：癌症免疫疗法新思路！揭示肿瘤免疫逃逸关键机制
《细胞》：癌症免疫疗法新思路！揭示肿瘤免疫逃逸关键机制
主要组织相容复合物I类分子(major histocompatibility class I，MHC I)结合来自细胞基因表达的肽，然后在细胞表面运输和显示抗原信息。这使得CD8+T细胞能够识别合成异常蛋白质的病理细胞，例如表达突变蛋白质的癌症细胞。为发生和发展，许多癌症需要进化出避免被CD8+T细胞消除的机制。MHC I分子不是细胞存活所必需的，因此癌症逃避免疫控制的一种机制就是失去MHC I抗原递呈机制(antigen presentation machinery ，APM)。这不仅会损害免疫反应控制癌症的能力，而且还会阻碍通过重新激活抗肿瘤CD8+T细胞来起作用的免疫疗法，比如检查点阻断（checkpoint blockade）。
近年来，以抗PD-1/PD-L1疗法为代表的免疫检查点阻断（ICB）疗法取得了革命性的突破，极大地改变了癌症治疗的格局。这类免疫疗法通过恢复肿瘤特异性T细胞的免疫应答来发挥作用，在多种癌症类型中展现出持久的临床反应，黑色素瘤、非小细胞肺癌、头颈癌、淋巴瘤等多种恶性肿瘤的患者已经能从中受益。
不过，抗PD-1/PD-L1疗法目前的发展也面临着一道难题，那就是只有少数患者能从中持续获益，而大部分患者对此类疗法无响应或者会出现耐药性。造成此类现象的一个原因，与I型主要组织相容性复合物（MHC-I）有关。MHC-I分子可以结合并递呈抗原肽，供杀伤性的CD8+T细胞识别。然而，肿瘤细胞可以显著降低MHC-I抗原呈递，从而在CD8+T细胞面前“隐身”，实现免疫逃逸。这类T细胞浸润、免疫应答较弱的肿瘤，也被称作“冷肿瘤”。
图片来源：123RF
要解决肿瘤免疫逃逸的问题，首先要理解肿瘤MHC-I抗原呈递下调的真正原因。当前的主流理论认为，主要原因在于促进MHC-I抗原递呈途径的关键基因突变或者缺失，但这些基因的突变频率非常低，基于这些机制的策略也没有得到显著应用。
2023年8月8日，纽约大学（NYU）格罗斯曼医学院王俊教授、Iannis Aifantis教授作为共同通讯作者（Aifantis教授课题组博士后陈旭峰和王俊教授课题组博士后鲁峤为本文共同第一作者）在《细胞》（Cell）发表论文，揭示了肿瘤细胞免疫逃逸的重要分子机制。该研究首次系统地鉴定了肿瘤细胞双向调节MHC-I抗原呈递的关键基因网络，并且首次报道了一个泛肿瘤细胞表面MHC-I抑制轴，通过靶向其中的分子能促进肿瘤免疫监视。这项突破为癌症免疫，特别是冷肿瘤治疗提供新的思路和靶点。
王俊教授在长期研究中注意到，绝大部分病毒有很多有效的分子机制来主动抑制MHC-I抗原递呈，包括一些膜蛋白。王俊教授想到，既然病毒有那么多有效的抗原递呈负调机制，那肿瘤是否存在类似的普遍机制来介导免疫逃逸？
为了系统性鉴定与癌症相关的MHC-I抑制因子，研究团队对人和小鼠的急性髓系白血病（AML）细胞系进行了全基因组CRISPR筛选。之所以选择AML细胞系，一个重要原因是其起源于可以分化为抗原递呈细胞的髓系免疫细胞，因此在这些细胞系上发现的抗原递呈机制很有可能普遍存在于其他肿瘤类型。
在筛选过程中，除了验证多种已知的MHC-I抗原递呈途径正向调节因子，研究团队还首次发现了一种膜相关的MHC-I抑制性途径。该途径涉及到3个关键因子，分别是两种膜蛋白：单次跨膜蛋白SUSD6、四次跨膜蛋白TMEM127，以及参与蛋白降解的E3泛素连接酶WWP2。这些因子形成了SUSD6/ TMEM127/ WWP2（STW）抑制轴。
▲全基因组筛选出肿瘤MHC-I 抗原呈递调节网络。(A)CRISPR筛选示意图。(B-C)人类和小鼠抗原特异性pMHC-I双向调节因子。绿色：未知的pMHC-I负调节因子，橙色：已知的pMHC-I正调节因子。（图片来源：研究团队）
值得一提的是，此前的研究尚未发现SUSD6具有免疫功能，但由于这种在细胞表面表达的单次跨膜蛋白在多种筛选设置下，均表现出极强的抑制效应，因此受到了研究的格外关注。实验结果表明，当SUSD6缺失时，MHC-I的细胞膜表面表达增强，进而促进了AML和实体肿瘤中T细胞介导的免疫监视。
在小鼠AML模型中，SUSD6的缺失显著延缓了白血病的进展，并延长了动物的生存期。另外，在多种实体肿瘤细胞系中，SUSD6的敲除同样显示出类似的免疫调节作用。此外，生物信息学分析表明SUSD6在多种肿瘤，特别是冷肿瘤（胰腺癌，脑瘤等等）中高表达，并且其表达程度与癌症病人生存率负相关。SUSD6的表达与肿瘤微环境的T细胞激活特征也呈现负相关，暗示着SUSD6是一个具有临床价值的新型免疫调节分子。
后续研究还发现，敲除TMEM127时，在AML和实体瘤模型中也观察到了与敲除SUSD6类似的现象，因此靶向TMEM127也有可能调节肿瘤MHC-I抗原呈递。
▲敲除SUSD6抑制肿瘤生长并延长小鼠寿命。(A)小鼠肿瘤模型示意图。(B-G)描述了移植sgRNA转导的白血病肿瘤细胞(B-C)，或者实体瘤细胞(D-G)的肿瘤体积(B，D，和F)和Kaplan-Meier生存曲线(C，E，和G)。（图片来源：研究团队）
接下来，研究团队进一步探索了STW抑制轴下调MHC-I的机制。作者注意到，SUSD6被敲除时，细胞的MHC-I总量显著增加，但MHC-I的来源——转录和翻译过程并不受影响，因此他们猜测SUSD6影响的是MHC-I的去处，也就是降解过程。实验结果证明，SUSD6的确推动了细胞表面MHC-I进入溶酶体降解。
进一步研究表明，SUSD6和TMEM127这两个膜分子可以同时与MHC-I直接相互作用，并且共同招募WWP2从而形成一个四元复合物。在SUSD6和TMEM127存在的情况下，WWP2介导了MHC-I泛素化以及溶酶体降解，从而降低了MHC-I的表面表达。
▲SUSD6和TMEM127招募WWP2介导MHC-I泛素化从而被溶酶体降解。(A)蛋白质免疫印迹代表图。(B)表面来源的MHC-I与溶酶体标记物的共定位的代表性共聚焦图像。(C)免疫共沉淀显示四元复合物。(D-F)拆分荧光素酶实验显示分子间的直接相互作用。(G)免疫共沉淀显示STW复合物对于MHC-I泛素化的影响。（图片来源：研究团队）
综上所述，这项研究鉴定了调节MHC-I途径的关键因子，揭示了SUSD6和TMEM127介导MHC-I降解的新机制。SUSD6的缺失能增强MHC-I表面表达，从而促进肿瘤免疫监视。这些发现有助于我们深入了解肿瘤免疫冷肿瘤现象，为提高免疫疗法的治疗效果提供了潜在理论和靶点。未来，可以进一步探索这些调节因子在临床应用中的潜在价值，为个体化的癌症免疫治疗提供新思路和策略。
▲SUSD6/TMEM127/WWP2复合物对于调节MHC-I抗原呈递的作用机制示意图。（图片来源：参考资料[1]）
除了文中提到的单位和个人，该研究还得到了纽约大学Michele Pagano研究组、得克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心Patricia L. M. Dahia研究组、耶鲁大学Peter Cresswell研究组、Eureka Therapeutics Inc.等单位和个人的大力支持和帮助。
通讯作者介绍
王俊博士目前是纽约大学医学院病理系助理教授，多年来致力于发现和理解新的细胞表面免疫调节分子的功能以及其在肿瘤以及自身免疫疾病中应用。除了他在抗4-1BB免疫疗法肝毒性以及乙肝肝炎机制方面的早期探索外，他还建立了全基因组受体和功能筛选技术，发现并参与开发包括Siglec-15, FGL1/LAG-3等之内的多个创新靶点。这些研究成果为FDA最近批准用于黑色素瘤的抗LAG-3单抗(Relatlimab)的开发提供了部分支持，并促成了抗Siglec-15在人类癌症中的临床开发。王博士在免疫治疗方面的经验还近期应用于理解COVID-19免疫病理学，以及开发针对病毒免疫相互作用的新型COVID-19免疫疗法。近几年来，王博士作为通讯作者或第一作者身份在Cell, Nature Medicine, Immunity, JEM, Clinical Cancer Research, Cell Research等十余篇专业杂志发表。王博士实验室也得到NIH RO1/R37/R21, 以及多个国际著名肿瘤基金 (V Foundation, Mark Foundation, Melanoma Research Alliance等等)的丰厚研究支持。他也是多家生物科技公司包括BMS，Rootpath Genomics的顾问，以及BioSpark Group的联合创始人。
王俊博士实验室致力于在人类疾病环境中发现关键的免疫反馈调节机制，深入了解其分子和疾病生物学，并设计基于这些新机制的前沿免疫疗法来治疗人类癌症和自身免疫疾病。实验室诚招对基础免疫学以及免疫治疗有着浓重兴趣以及具有探索精神的博士、博士后，以及访问学者加盟。Together, let’s make a difference and answer critical questions in immunotherapy!
共同通讯作者Iannis Aifantis博士于哈佛医学院完成博士后工作后，先后于芝加哥大学和纽约大学任助理教授, 曾任霍华德·休斯医学研究所（HHMI）青年科学家。现任教于纽约大学格罗斯曼医学院，为病理系系主任。其实验室致力于探索造血干细胞及前体细胞生理分化及病理病变过程的分子机制，主要研究：a) 基因表达的转录/表观遗传调控对癌变的影响，b) 白血病中的非编码RNA，c) RNA结合蛋白在白血病中的作用，d) 白血病中三维染色体结构的调控，以及e) 白血病与其肿瘤微环境之间的相互作用。实验室目前正在招聘博士后，详见The Aifantis Lab
第一作者介绍
陈旭峰博士2009年本科毕业于华中科技大学，2015年博士毕业于中国科学院上海生化所，师从刘小龙研究员。此后在上海生化所从事博士后研究、任副研究员，主要从事造血系统谱系发育的相关研究。2017年，陈旭峰博士前往纽约大学格罗斯曼医学院Iannis Aifantis 教授实验室从事博士后研究，现为纽约大学格罗斯曼医学院病理系讲师，致力于通过系统筛选揭示白血病耐药机制及寻找靶向/免疫治疗新靶点。已以第一作者身份于Cell, Cancer Discovery, Cell Research, Nature Communications等期刊发表多篇高质量论文。目前致力于寻找良好的科研平台进一步发展，邮箱：Xufeng.Chen@nyulangone.org.
鲁峤博士，现于纽约大学王俊教授课题组博士后，毕业于耶鲁大学(师从抗原呈递泰斗Peter Cresswell)，致力于抗原呈递和免疫治疗等方向的研究。作为第一或共同第一作者在Cell, Immunity, Nature Communications等专业杂志发表多篇论文。鲁峤博士的此项研究得到了美国癌症研究机构（Cancer Research Institute）的博士后基金支持。
参考资料：
[1] Xufeng Chen, Qiao Lu et al., A membrane-associated MHC-I inhibitory axis for cancer immune evasion. Cell(2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.07.016