2022-02-27

Nat Rev | 癌症中调节PD-L1表达的机制和新型小分子疗法的机遇

原创 huacishu 图灵基因 

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：huacishu

IF=84.694

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

1、作者总结了在癌症中转录、转录后、翻译和翻译后水平调节PD-L1表达机制的研究进展；

2、作者描述了PD-L1的各种翻译后修饰的作用，包括磷酸化、糖基化、乙酰化和泛素化。此外，还讨论了小分子药物调节这些机制的潜在用途。

中国医药大学校长洪明奇(Mien-Chie Hung)教授课题组在国际知名期刊Nat Rev Clin Oncol在线发表题为“Mechanisms regulating PD-L1 expression in cancers and associated opportunities for novel small-molecule therapeutics”的论文。针对抑制性免疫检查点受体PD-1或其配体PD-L1的拮抗性抗体可用于治疗多种癌症，并可显著提高患者生存率。然而，需要克服内在和后天的抵抗，需要分别提高应答率和持续时间。PD-L1通常在各种恶性肿瘤中表达上调，新的证据表明许多潜在机制涉及不同的致癌信号通路。因此，特定的小分子抑制剂不仅有可能同时抑制关键的致癌信号通路，还可能同时抑制特定癌症中PD-L1的表达，从而为与现有的免疫检查点抑制剂和其他靶向药物结合提供有吸引力的候选药物。在此，作者总结了在癌症中转录、转录后、翻译和翻译后水平调节PD-L1表达机制的研究进展。描述了PD-L1的各种翻译后修饰的作用，包括磷酸化、糖基化、乙酰化和泛素化。此外，还讨论了小分子药物调节这些机制的潜在用途，以及生物标记物对患者进行分层以获得最佳治疗的潜在用途。

PD-1的表达仅限于各种T细胞、B细胞、自然杀伤细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞（DC）亚群。相比之下，PD-L1由多种造血细胞表达，包括巨噬细胞、DC、T细胞、B细胞和肥大细胞，以及一些非造血细胞类型，如血管内皮细胞。此外，PD-L1可以在更广泛的细胞类型中上调，以响应炎性细胞因子和其他刺激，并且通常在各种类型的癌细胞和肿瘤基质细胞中过度表达。由肿瘤浸润性免疫细胞产生的各种促炎细胞因子通过PD-L1表达上调等途径，形成免疫抑制性肿瘤微环境（TME），并促进肿瘤发展。IFNγ主要由T细胞和自然杀伤细胞产生，是通过JAK–STAT–IRF1信号轴诱导PD-L1表达的主要诱导剂。事实上，有报道称，JAK1/2突变的功能获得和功能丧失分别促进和抑制PD-L1的表达，从而影响癌症免疫监测和对抗PD-1/PD-L1抗体的反应性。然而，值得注意的是，IFNγ是抗肿瘤免疫的关键协调器，这表明IFNγ介导的PD-L1在肿瘤中的上调反映了作为抗肿瘤免疫反应的结果而激活的负反馈机制。转化生长因子-β（TGF-β）可由TME中的多种细胞分泌，可增强PD-L1的表达。其他几种细胞因子，包括IL-1β、IL-4、IL-8、IL-10、IL-17、IL-27、GM-CSF和TNF，已被证明可调节癌细胞中PD-L1的表达。各种癌症的致癌信号通路在PD-L1上调中也起着关键作用。例如，NSCLC、TNBC和HNSCC细胞中EGFR信号的激活通过多种机制触发PD-L1表达。相比之下，另一种受体酪氨酸激酶MET可以根据癌症类型上调或下调PD-L1。两种不同的ALK融合蛋白NPM–ALK和EML4–ALK分别促进淋巴瘤和NSCLC细胞中PD-L1的表达。受体酪氨酸激酶的主要下游信号通路RAS–MEK–ERK（MAPK）和PI3K–AKT–mTOR参与各种癌症中PD-L1的上调。因此，在临床前和临床研究中，这些通路的某些抑制剂已被证明可调节PD-L1。除了PD-L1在抑制T细胞功能从而在癌症免疫逃逸中的作用外，癌细胞上的PD-L1还可能传递促进肿瘤进展的信号（图1）。例如，PD-L1可以激活癌细胞中的PI3K–AKT和MAPK信号，从而促进上皮细胞向间充质细胞转化（EMT）。然而，在乳腺癌细胞中，PD-L1激活PI3K–AKT和MAPK通路似乎依赖于PD-1的连接。值得注意的是，尽管有报道称PD-L1通过这两种途径促进乳腺癌细胞的化疗耐药性，但PD-L1表达与接受辅助化疗的TNBC患者病理完全应答的可能性更高相关。此外，在接受化疗的黑色素瘤患者中，较高的PD-L1水平与更好的生存结果相关。因此，PD-L1在化疗耐药中的功能作用可能取决于癌症类型或疾病背景，PD-L1与化疗敏感性的关联需要进一步研究。

许多转录调节因子已被证明可以调节CD274的表达，尽管它们的作用似乎是细胞类型特异性的（图2）。例如，STAT诱导的IRF1作为IFNγ诱导的PD-L1表达的主要转录调节因子。然而，除了IRF1介导的机制外，STAT1还可以直接激活干扰素刺激的肝细胞中的CD274转录。在实体肿瘤中，甲基胞嘧啶双加氧酶TET2与IFNγ激活的STAT1结合，并通过CD274启动子的DNA去甲基化增强IFNγ-STAT1介导的PD-L1 mRNA表达。在多种肿瘤类型中，由于NAD+代谢为α-酮戊二酸，TET1的表达和活性增强同样会驱动IFNγ-STAT1介导的IRF1转录，进而诱导PD-L1表达。与IRF1相反，IRF2在HCC细胞中作为PD-L1表达的转录抑制因子发挥作用，CDK5通过下调IRF2上调髓母细胞瘤细胞中的PD-L1。各种致癌转录因子也直接参与CD274的表达（图2）。例如，MYC在多种癌症类型中转录上调PD-L1，MYC的遗传或药理学抑制促进抗癌免疫。如前所述，STAT3是CD274转录的另一个关键调节因子，在多种途径的下游被激活，包括NSCLC中的EGFR信号和黑色素瘤中的MAPK信号。在自然杀伤/T细胞淋巴瘤中，JAK–STAT3通路上调细胞因子受体信号下游的PD-L1。

大量研究的数据表明，PD-L1mRNA的稳定也有助于PD-L1在癌症中的过度表达（图3）。mRNA的3′-UTR对于mRNA稳定性调节至关重要。事实上，如上所述，破坏PD-L1 mRNA这一区域的CD274结构变异增强了其稳定性，从而促进了PD-L1的表达。此外，NSCLC细胞中的RAS–MAPK信号通过3′-UTR中的ARE稳定PD-L1 mRNA。在机制上，RAS–MAPK信号导致ARE结合mRNA衰变激活蛋白ZFP（也称为三四脯氨酸）的磷酸化和抑制，该蛋白与3′-UTR结合并促进PD-L1 mRNA的降解。一些长的非编码RNA可以通过直接靶向PD-L1 mRNA的小RNA来促进PD-L1的表达（图3）。例如，MALAT1分别在弥漫性大B细胞淋巴瘤和NSCLC中抑制miR-195和miR-200a-3p，KCNQ1OT1在前列腺癌中抑制miR-15a，在肝癌中抑制miR-506。其他长非编码RNA-miRNA轴显示可控制各种癌症中PD-L1的表达，包括子宫内膜癌中的Lnc-OC1–miR-34a和MEG3–miR-216a，胃癌中的SNHG15–miR-141和HIF1A-AS2–miR-429，肝癌中的PCED1B-AS1–miR-194-5p，甲状腺癌中的NSCLC UCA1–miR-148a中的FGD5-AS1–miR 142-5p，胰腺癌中的LINC00473–miR-195-5p和鼻咽癌中的HOXA-AS2–miR-519。N6甲基腺苷（m6A）是一种mRNA修饰，参与mRNA剪接、稳定性和翻译的转录后调节。在人类肝内胆管癌细胞中，PD-L1 mRNA 3′-UTR中的m6A修饰被含YTH结构域的家族蛋白2（YTHDF2）识别，导致mRNA降解和PD-L1表达抑制（图3）。相反，ALKBH5是一种RNA去甲基化酶，可以靶向PD-L1 mRNA中的m6A修饰，从而促进PD-L1翻译并随后抑制抗肿瘤T细胞免疫。FTO是另一种m6A去甲基化酶，上调结肠癌细胞中PD-L1的表达。对人类HNSCC样本的系统分析进一步支持PD-L1表达与m6A修饰调节因子之间的关联。PI3K–AKT–mTOR通路是mRNA翻译的中心调节器，而mTOR抑制下调PD-L1蛋白的合成。除了这一一般机制外，还发现了几个专门调节PD-L1 mRNA翻译的因素。许多mRNAs的5′-UTR含有上游开放阅读框（uORF），它可以干扰初级ORF翻译的启动，从而作为控制蛋白质合成的负调控机制。小鼠和人类PD-L1 mRNA均含有uORF，已证明uORF可在体外减少PD-L1翻译（图3）。值得注意的是，在小鼠肝癌模型中，MYC的过度表达绕过uORF介导的PD-L1翻译，并增加PD-L1表达。真核翻译起始因子2复合物-α亚单位（eIF2α）在各种形式的应激下被磷酸化，包括内质网（ER）应激和氨基酸剥夺，这导致UORF的翻译受到抑制。在表达MYC的癌细胞中，eIF2α的磷酸化增强，从而导致PD-L1翻译的上调。类似地，各种应激源可通过eIF2α磷酸化绕过uORF，从而增强人类NSCLC细胞中PD-L1的翻译。除了eIF2α外，真核细胞延伸因子2（eEF2）也可以抑制PD-L1翻译。在某些人类癌症细胞系中，eEF2激酶磷酸化，从而抑制eEF2对各种应激的反应，从而减少uORF介导的PD-L1翻译抑制，从而减少表达（图3）。

PD-L1在N35、N192、N200和N219四个残基处进行N-糖基化（图4），多条证据表明，这种糖基化对PD-L1的稳定性和PD-1结合能力至关重要。蛋白质N-糖基化的第一步由寡糖基转移酶复合物催化。在EMT期间，β-连环蛋白转录诱导STT3（A和B亚型），即寡糖基转移酶复合物的N-糖基转移酶亚单位，从而增加PD-L1糖基化和稳定性，导致临床前模型中的癌细胞免疫逃避。此外，sigma 1受体（Sig-1R）和FKBP5的剪接异构体（FKBP51s）作为伴侣促进PD-L1糖基化和稳定性。PD-L1与PD-1的结合需要β-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶3（B3GNT3），它合成聚N-乙酰乳糖胺（poly-LacNAc）链，该链存在于连接到PD-L1的N192和N200残基的聚糖结构中。此外，糖基化特异性抗PD-L1（抗gPD-L1）抗体可以阻断PD-L1–PD-1相互作用，促进PD-L1的内化和降解，并增强临床前模型中的抗肿瘤免疫反应。PD-L1的磷酸化调节其稳定性、亚细胞定位和功能（图4）。PD-L1在其非糖基化状态下不稳定。糖原合成酶激酶3β（GSK3β）可以磷酸化PD-L1的残基T180和S184，这些残基随后被E3泛素连接酶β-TrCP结合，从而被26S蛋白酶体靶向于泛素依赖性降解。N192、N200和N219处的糖基化会破坏与GSK3β的相互作用，从而稳定PD-L1。GSK3β介导的PD-L1磷酸化和降解是PD-L1–PD-1免疫检查点与各种调节机制之间相互作用的关键节点。

E3连接酶通过向靶蛋白中加入泛素链，从而标记其降解，从而成为UPS底物特异性的关键决定因素。已发现许多E3连接酶以PD-L1为靶点，在各种生理和病理条件下降解（图5）。在乳腺癌细胞中，β-TrCP E3连接酶复合物泛素化T180/S184磷酸化PD-L1，从而通过EGFR信号抑制GSK3β，稳定PD-L1并促进免疫逃避。相反，E3连接酶MARCH8介导EGFR突变NSCLC细胞中EGFR抑制诱导的PD-L1降解。SPOP E3连接酶复合物与细胞周期蛋白D–CDK4协同控制PD-L1丰度的细胞周期依赖性波动。在机制上，CDK4磷酸化并稳定SPOP，促进PD-L1泛素化和G1晚期和S期的降解；因此，抑制CDK4/6可增强癌细胞中PD-L1的表达。同样，CDK1稳定SPOP，从而使PD-L1不稳定；在各种类型的癌细胞中，使用ATR抑制剂激活CDK1会导致PD-L1的下调和对T细胞介导的细胞毒性的敏感性。E3连接酶HRD1在S195处AMPK介导的PD-L1磷酸化后，通过ERAD系统促进PD-L1降解，而E3连接酶STUB1（也称为CHIP）可抵消CMTM4/6介导的PD-L1稳定。Caspase 8通过上调泛素编辑酶A20（也称为TNFAIP3）的表达诱导黑色素瘤细胞PD-L1降解，该酶具有E3连接酶活性。相反，E3连接酶调节因子DCUN1D1在NSCLC细胞中通过未知机制上调PD-L1。如前所述，ARIH1已被鉴定为E3泛素连接酶，负责在S279和S283处GSK3α介导的PD-L1磷酸化后靶向PD-L1降解。去泛素化酶（DUB）通过从底物蛋白中去除泛素链从而稳定底物蛋白来对抗泛素化的影响。据报道，有几种DUB可调节PD-L1的表达（图5）。CSN5介导的去泛素化有助于TNF介导的PD-L1诱导，从而有助于肿瘤免疫抑制。

目前临床上批准的PD-1/PD-L1抑制剂是单克隆抗体，可有效治疗多种癌症类型；然而，这些药物有几个缺点，包括静脉或皮下给药途径、免疫相关不良反应和对肿瘤组织的渗透性差。调节PD-L1表达的途径已被广泛研究，并已确定了多种机制。基于这些机制，已经确定了许多针对PD-L1的潜在小分子药物，其中一些药物可能会克服单克隆抗体的局限性。如二甲双胍和抗CTLA4抗体，这种小分子药物与针对其他免疫检查点的抗体的组合可能会产生协同抗癌活性。或者，能够上调PD-L1的小分子抗癌药物可能会增强抗PD-1/PD-L1抗体的效力；这类药物的例子包括乳腺癌中的PARP抑制剂和肝癌中的MET抑制剂。调节PD-L1表达的小分子药物的开发已发展成为癌症治疗的一个有前途的领域。然而，重要的是要记住，一些机制依赖于细胞环境，需要适当的生物标记物和药物组合，才能在正确的时间为正确的患者提供正确的治疗。进一步的临床前和临床研究将推进这一重要而有希望的研究领域。

教授介绍

Mien Chie Hung博士是中国医药大学校长。他是德克萨斯大学安德森癌症中心的基础研究副教授兼分子和细胞肿瘤学系教授和主席。他在国立台湾大学获得本科和研究生学位。洪博士因研究由酪氨酸激酶生长因子受体（如EGFR和HER-2/neu）调节的信号转导途径，以及肿瘤发生的分子机制而获得国际认可。洪博士还担任许多癌症研究期刊的编辑，他是《癌症细胞》的创始编辑成员之一，曾担任《美国癌症研究杂志》（2015-2017）的主编和《癌症研究》（美国癌症研究协会，2018-2021）的高级编辑。洪博士于2002年入选台湾中央研究院院士，并于2010年被选为美国科学促进会生物科学组研究员。此外，洪博士还获得了德克萨斯大学安德森癌症中心2011年度LeaMeRee杰出成就奖和教育成就奖（1993）和基础研究奖（1998和2017）。

参考文献

Yamaguchi H, Hsu JM, Yang WH, Hung MC. Mechanisms regulating PD-L1expression in cancers and associated opportunities for novel small-moleculetherapeutics. Nat Rev Clin Oncol. 2022;10.1038/s41571-022-00601-9.doi:10.1038/s41571-022-00601-9