Cancer Cell | 利用转座因子进行免疫治疗
原创 huacishu 图灵基因 2022-08-10 08:33 发表于浙江
收录于合集#前沿分子生物学机制
撰文：huacishu
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亮点：
1、作者回顾了最近在阐明TE作为癌症免疫反应介质的作用方面的进展，并讨论了新的治疗策略如何利用TE免疫原性进行癌症免疫治疗；
2、作者指出目前和未来旨在调节TEs表达和免疫原性的策略代表了癌症免疫治疗中一种令人振奋的方法。
美国西奈山伊坎医学院Nicolas Vabret教授课题组在国际知名期刊Cancer Cell在线发表题为“Dark genome, bright ideas: Recent approaches to harness transposable elements in immunotherapies”的论文。转座因子（TE）几乎占人类基因组的一半，在癌症中的表达经常发生改变。在这里，作者回顾了最近在阐明TE作为癌症免疫反应介质的作用方面的进展，并讨论了新的治疗策略如何利用TE免疫原性进行癌症免疫治疗。
在人类中，转座因子（TE）占基因组的46%，分为两种主要类型：DNA转座子和反转录因子。逆转录酶元件进一步分为三大类：长穿插核元件（LINEs）、短穿插核元素（SINE）和长末端重复序列（LTR）/内源性逆转录病毒（ERV）元件（图1A）。
在癌症中表达的TE来源的核酸具有免疫原性
越来越多的研究表明，TE来源的的核酸是肿瘤微环境（TME）中天然免疫传感器的配体。具体来说，伴随癌细胞转化的表观遗传景观的重塑可导致TE的重新激活，其有可能激活核酸感应途径。这些途径包括通过RIG-I样受体（RLR）和Toll样受体3（TLR3）传感RNA，以及通过cGMP-AMP合酶（CGA）传感反向转录互补DNA（cDNA）。
RNA传感器的激活
两个RLR，RIG-I和MDA5，主要负责感应免疫原性细胞内RNA。激活后，它们与线粒体抗病毒信号（MAVS）蛋白相互作用，并诱导IRF3、IRF7和NF-kB移位到细胞核，从而诱导I型干扰素（IFN-I）和促炎细胞因子。RIG-I优先被双链RNA（dsRNA）激活，而MDA5主要结合更长的dsRNA。重要的是，有几类TE具有病毒中常见的结构特征。通过单链特异性核糖核酸酶处理捕获dsRNA抗体或富集dsRNA等实验方法表明，在癌细胞系中表达的几类TE，包括ERV家族、系或SINE，可以导致dsRNA的形成。虽然MDA5在感应这些双链RNA群体中的作用之前已通过该传感器的基因缺失得到证实，但反向重复序列（IR）-Alu（SINE家族）被确定为患者源性结直肠癌细胞中TE来源双链RNA结合MDA5的主要来源。
与MDA5相比，RIG-I作为TE表达传感器的研究更为有限，报告也相互矛盾，一些研究表明RIG-1下调后对干扰素刺激基因（ISG）激活没有影响或影响很小。然而，在RIG-I沉默后，用蛋白精氨酸甲基转移酶（PRMT）抑制剂处理的三阴性乳腺癌细胞系中ISG的激活显著降低，该抑制剂改变mRNA剪接并诱导IR-Alu的内含子保留。TLR3是一种细胞表面和内切体受体，也可以感应双链RNA，也可以感知TE来源的RNA。在人乳腺癌细胞系MCF7和MDA-MB-468中，沉默TLR3分别通过敲除LSD1（ERVs的表观遗传学抑制剂）或通过抑制PRMT1诱导ISG活化。重要的是，TLR3是一种在细胞表面发现的传感器，其激活表明从其他细胞摄取TE来源的dsRNA或将dsRNA从细胞质转移到核内体。
DNA传感器的反转录依赖性激活
人类TEs的一个子集可以编码功能性逆转录酶（RT），包括来自HERV-K和LINE-1家族的元件。RT表达可以导致RNA的形成：DNA杂交和细胞溶质DNA，两者都可以激活先天免疫传感器CGA。cGAS与RNA的结合：足够长度的DNA杂交或cDNA诱导干扰素基因衔接蛋白刺激因子（STING）的下游激活，促进IRF3和NF-kB向细胞核的移位，并启动IFN-I和促炎细胞因子反应。在人类中，前列腺癌患者组蛋白甲基转移酶EZH2的抑制与ERV表达增加相关，细胞系中STING的基因敲除显著阻止了EZH2抑制后主要组织相容性复合体（MHC）-I和PD-L1的IFN依赖性上调。
解读TE表达对抗肿瘤免疫的影响
对癌症基因组图谱（TCGA）样本中TE表达的广泛分析发现，与匹配的健康组织相比，胃、膀胱、肝脏和头颈部是TE过度表达最显著的癌症类型，表明肿瘤中TE表达受组织类型的影响。
TE的特定免疫特性
转化细胞中TE表达的改变主要是表观遗传控制机制广泛失调的结果，使得将一般先天免疫激活与特定TE联系起来变得复杂。因此，定义TE的常见和特异性免疫原性需要仔细的实验方法，将免疫原性模式与TE类别、控制其表达的表观遗传学机制以及它们激活的途径联系起来。对TE上调与不同细胞途径的变化进行了相关性分析，包括DNA损伤反应（DDR）途径或I型和II型干扰素信号。来自ERV1家族（所有LTR/ERV类成员）的TE与整个癌症类型的IFN-I反应呈最强正相关，而来自ERV1、ERV3和DNA转座子的其他家族与DDR的相关性最高。然而，尽管ERV表达与免疫反应之间存在着跨肿瘤类型的强相关性，但当ERV和Alu元件均通过抑制患者源性结直肠癌细胞中的DNMT1诱导时，发现Alu主要负责dRNA积累和MDA5激活。总之，最近的结果似乎表明癌细胞类型是控制不同TE免疫原性的关键因素，并表明需要进行彻底的分子分析，以量化其对免疫激活的贡献。
干扰素在肿瘤微环境中的效应
在癌症发展过程中，具有免疫原性潜力的TEs的广泛上调起初可能显得自相矛盾，人们可能想知道癌症生长如何能够耐受先天性免疫激活。然而，虽然TE表达可以诱导先天性免疫反应，但这些途径的激活最终可能具有促肿瘤和抗肿瘤作用。急性IFN-I诱导有助于增加MHC表达、激活抗原呈递细胞和分化CD4+Th1细胞，并促进CD8+T细胞功能和细胞毒性，所有这些都有利于刺激抗肿瘤免疫反应。相反，IFN-I也可以上调肿瘤细胞上PD-L1的表达，这是一个关键的T细胞抑制检查点，慢性IFN-1刺激有助于CD8+T细胞耗竭。此外，慢性IFN-I信号可诱导ISG的产生，促进上皮-间充质转化、肿瘤侵袭和转移或改变肿瘤代谢。最终，IFN-I信号的完全丧失或延长都可能对抗肿瘤免疫反应有害，因此需要更好的免疫治疗策略来控制TME中的IFN-1反应。
许多研究表明，在肿瘤中诱导TE表达的总体的有益效果；然而，不同细胞群或肿瘤类型中对相同TE表达的反应也存在差异。这表明需要进一步研究TE表达的抗肿瘤作用是否可以通过选择TE表达的特定位置（例如，优先在免疫细胞和肿瘤细胞中）或TE表达的类别及其诱导时间来进行治疗优化。
TE来源的抗原为适应性反应提供了共同靶点
肿瘤特异性抗原（TSA）是存在于癌细胞而非健康组织表面的与MHC结合的肽。TSA通常由癌细胞DNA突变引起，导致肿瘤组织中独特表达的突变蛋白质的合成。然而，肿瘤特异性也可能源于通常沉默的基因组非突变区域的独特表达，例如TE。此外，尽管其特征为“非编码”RNA，但TE的子集包含开放阅读框（ORF），如LINE1元件内的ORF1/ORF2或完整ERV中存在的gag、pol和env基因。TEs的这些蛋白质编码区有可能在MHC上翻译和呈现，并作为抗肿瘤免疫反应的靶点。
多项研究表明，来自基因组非突变区域的转录物，包括TE，可以作为肿瘤细胞上独特呈现在MHC上的肽的来源。这些TSA是有吸引力的靶点，因为它们的抗原性不依赖于特定的氨基酸突变，因此可以在不同患者的不同肿瘤中共享。总的来说，TEs代表免疫原性肿瘤抗原的特定来源，可被T细胞识别并诱导功能反应。它们代表了一类令人兴奋的免疫靶点，但我们利用TE-TSA作为免疫治疗靶点的能力目前仍然受到知识水平的限制。
利用非编码RNA免疫原性的治疗方法
TE具有多种特性，使其成为免疫治疗中有吸引力的靶点，首先是其刺激固有传感器的能力，并提供肿瘤抗原的来源。在这里，作者讨论了目前探索的调节TE表达和免疫原性的策略。
介导TE表达
生物体已经发展出多种机制来严格控制重复元素的表达。其中，表观遗传调节剂是治疗药物研究的主要目标，该研究主要通过抑制使TE保持异染色质状态的酶，如DNMT、组蛋白甲基转移酶（HMT）和组蛋白脱乙酰酶，来诱导TE表达。因此，靶向这些表观遗传酶的药物仍然是广泛调节TE表达的主要途径。现在有大量文献使用DNMT抑制剂，如氮胞苷或地西他滨，在临床前模型中诱导广泛的TE表达。用地西他滨治疗胶质母细胞瘤细胞系可触发多种固有免疫途径，但也导致在MHC上呈现新的TE衍生肽，证明DNMTi具有参与固有和适应性免疫反应的双重能力。除DNMTi外，其他最近的研究发现了特异性组蛋白甲基化标记在TE沉默中的作用，为诱导TE表达提供了额外的药物靶点。
在黑色素瘤或肺癌小鼠模型上进行的研究中，H3K9甲基转移酶SETDB1的基因缺失抑制了TE的表达，并导致TE特异性T细胞反应的诱导。在黑色素瘤小鼠模型中，LSD1基因缺失降低了肿瘤生长，增加了T细胞浸润，并使耐药肿瘤对PD-1阻断治疗敏感，将LSD1定义为TME中诱导TE介导免疫反应的有吸引力的靶点。在前列腺癌小鼠模型中，抑制EZH2（另一种作用于H3K27me3的甲基转移酶）诱导dsRNA和ISGs表达，并逆转对抗PD-1治疗的耐药性。
综上所述，这些集中于组蛋白甲基化的研究认为组蛋白甲基化调节剂作为一类诱导TEs的药物具有很好的作用。TCGA中TE表达的特征表明，表达最广泛的TE在进化上也是最年轻的，并且与先天免疫反应最相关。主要的沉默机制可能取决于每个TE的进化年龄：在LTR/ERV的情况下，最年轻的主要通过DNA甲基化沉默，而较老的LTR家族通过组蛋白甲基化抑制。沉默机制的重叠为基于年龄诱导特定TE的治疗策略提供了机会。在三阴性乳腺癌细胞系中抑制I型PRMT可触发异常剪接事件，包括保留含有IR-Alu的内含子，这些内含子可形成双链RNA，有助于诱导IFN-I反应。这项工作展示了剪接如何代表控制TE表达和免疫原性的另一个潜在干预点。
介导TE免疫原性
表观遗传抑制阻止了TE的广泛转录，但特定TE的表达发生在稳态条件下，细胞已进化出转录后机制，以防止健康细胞中异常的先天免疫激活。重要的是，由于伴随细胞转化的表观遗传景观的失调，TE表达进一步增加，RNA修饰酶可以通过限制TE免疫原性作为肿瘤保护机制。最近的策略评估了这些RNA修饰酶的靶向性，证明其抑制可导致由TE转录驱动的抗肿瘤天然免疫反应。
ADAR1是一种RNA编辑酶，可将腺苷转换为肌苷，破坏A:T配对和dsRNA结构的稳定性，从而限制其随后与MDA5的结合。Mehdipour等人表明，患者源性结直肠癌细胞中ADAR1的缺失增加了与MDA5结合的反向重复Alu元素的积累。此外，与单用地西他滨治疗相比，地西他宾治疗与ADAR1缺失相结合可增强MAVS激活和ISG诱导。ADAR1缺失也证明了与CDK4/6抑制的协同作用，因为之前发现CDK4/6抑制剂通过DNMT1缺失刺激病毒模拟反应。这些结果进一步表明，协同治疗策略可以改善TE依赖性IFN-I反应。此外，在乳腺癌小鼠模型中敲除DDX3X可以抑制肿瘤生长，同时诱导IFN-I反应。发现ADAR1和DDX3X基因敲除在诱导ISG中的协同作用，表明同时靶向多种转录后机制的益处。其他介导TE免疫原性的转录后机制可能存在，并可作为未来的治疗靶点。
TEs作为CAR T细胞佐剂的来源
最后，另一种利用干细胞进行免疫治疗的新兴策略包括工程化CAR T细胞以表达免疫刺激性RNA并利用其佐剂活性。虽然RN7SL1本身不是TE，但它是一种非编码RNA，当不受其常规蛋白质相互作用物的屏蔽时，它可以激活RIG-I和MDA5。在最近的一项研究中，Johnson等人设计了表达RN7SL1的CAR T细胞，并在人类胰腺肿瘤的小鼠模型中观察到肿瘤控制的改善。作者发现，与对照细胞相比，RN7SL1 CAR T细胞表现出更强的持久性或增殖性，并表现出更少的耗竭标记物。利用黑色素瘤的同基因模型，他们进一步发现RN7SL1通过CAR T细胞分泌的外泌体优先传递给TME中的免疫细胞，激活RNA传感器，重新编程抗原呈递细胞，如髓样细胞，从而增强整体抗肿瘤免疫反应。
挑战和为解决的问题
尽管最近在了解TEs与免疫系统之间的相互作用方面取得了进展，但在癌症免疫治疗中，针对TEs的挑战仍然存在。今年公布了第一个真正完整的人类基因组序列，其中包括迄今为止被忽视的基因组重复部分。这突出了基因组技术发展中的一个差距，该技术最初旨在解决基因组的编码部分，不适合研究TEs。例如，TE表达的细胞类型特异性在很大程度上是未知的，在单细胞水平上量化TE转录物的新方法将能够研究其在复杂组织环境（如TME）中的免疫原性。该领域还缺乏对不同类别TE功能重要性的系统评估。此外，迄今为止已经在小鼠中进行了许多机制研究，这些小鼠不表达最近在人类中进化的几种TE，例如VNTR Alus（SVA），限制了概括和翻译这些发现的能力。作者相信，应对这些挑战将推动一个领域的发展，该领域有望通过确定新的治疗靶点来彻底改变癌症治疗。
小结
TEs通过同时作为固有免疫配体和适应性免疫反应的肿瘤特异性靶点，代表了癌症免疫治疗的机遇。目前和未来旨在调节TEs表达和免疫原性的策略代表了癌症免疫治疗中一种令人振奋的方法。
教授介绍
Nicolas Vabret博士是血液学/肿瘤学系的助理教授。他在巴黎巴斯德研究所获得病毒学博士学位。他目前的研究重点是免疫系统和人类基因组中的重复元素之间的相互作用，在各种情况下，如RNA病毒感染或癌症发展。
Nicolas Vabret教授几乎一生都对病毒感兴趣，自2011年获得博士学位以来一直在研究病毒。主要包括以下内容：免疫细胞与非免疫细胞的性质如何检测新冠肺炎病毒产生的细胞因子可能有助于了解为什么以及一些患者是否会发展成非常严重的疾病，有些患者是否会保持无症状。已经采取了什么方法以及目前正在采取什么方法来寻找艾滋病毒的治疗方法？一旦病毒进入人体，会发生什么？什么使身体能够识别非自身细胞并做出相应的反应？一些细胞能够检测进入体内的病毒和细菌的存在，并激活先天免疫反应的第一步，最终激活免疫反应的第二阶段。他对理解使这成为可能的早期分子机制特别感兴趣。他描述了先天免疫反应和适应性免疫反应之间的差异，模式识别受体的作用和功能，RNA的产生，细胞因子在对病毒感染宿主特别是新冠肺炎感染宿主的反应中的重要性，抵消免疫反应的病毒策略，免疫学领域的当前研究等等。
参考文献
Reid Cahn A, Bhardwaj N, Vabret N. Dark genome, bright ideas: Recent approaches to harness transposable elements in immunotherapies. Cancer Cell. 2022;S1535-6108(22)00316-6. doi:10.1016/j.ccell.2022.07.003