Nature丨透過現象看本質，黑色素瘤抗腫瘤免疫的新機制

撰文 | 鹹姐

責編 | 兮

癌細胞有能力適應和避開宿主免疫檢查點和監測，以此促進自身存活。雖然這種適應能力的確切分子機制仍有很大未知，但其中一個關鍵的訊號通路即涉及程式性死亡-1（PD-1）及其配體PD-L1和PD-L2。抗PD-1單克隆抗體的臨床研究結果證實了透過PD-1受體阻斷靶向宿主免疫檢查點機制可產生持久的抗腫瘤反應，從而改善無進展生存期（PFS）和總生存期（OS）。但是，從中獲益的患者卻只有一小部分。這提示我們，仍然需要進一步的闡明腫瘤微環境中與反應和耐藥相關的基本免疫學特徵，以此提高抗PD-1單藥治療的覆蓋率，同時也要深入揭示與PD-1檢查點相結合的其他免疫決定因素的聯合阻斷方法

【1】

。

某些因素，如暴露於紫外線輻射、吸菸和慢性病毒感染，會破壞參與DNA複製和修復的關鍵基因，導致細胞異常生長。作為迴應，機體會啟動一個協調的先天性和適應性抗腫瘤免疫反應，導致干擾素γ（IFN-γ）的產生。IFN-γ是腫瘤微環境中由活化的T細胞、自然殺傷細胞（NK）和NK T細胞產生的關鍵細胞因子，在這一過程中起著重要的協調作用。高水平的浸潤性T細胞和IFN-γ訊號反映了廣泛的腫瘤炎症，可以改善黑色素瘤患者對檢查點免疫治療的反應。然而，腫瘤的適應性可以利用正、負免疫訊號因子的微妙平衡，啟用免疫抑制細胞途徑而逃脫宿主免疫。同樣的IFN-γ訊號過程最終會誘導反饋抑制，從而損害抗腫瘤免疫。作為這個反饋迴路的一部分，IFN-γ訊號透過直接上調腫瘤、免疫浸潤和基質細胞中的配體PD-L1和PD-L2來啟用PD-1訊號軸，這些配體與腫瘤浸潤性T細胞上的PD-1相互作用從而下調細胞毒性反應

【1,2】

。另一方面，IFN-γ可以誘導腫瘤微環境中其他關鍵免疫抑制分子的表達，如

吲哚胺2,3-雙加氧酶1

（

IDO1

）。IDO1可透過GCN2途徑、mTOR途徑、犬尿氨酸毒性作用和有利於Terg分化等途徑降低色氨酸，催化色氨酸轉化為犬尿氨酸，在這個過程中，未負載的tRNA增加，從而對蛋白質翻譯過程產生負面影響。另一方面，產生的一系列有毒的犬尿氨酸代謝產物會抑制T細胞的功能，促進免疫耐受。多種癌症都被證實存在IDO1的過表達，因此，IDO1也逐漸成為腫瘤治療抑制劑的有利靶點

【3,4】

儘管如此，在黑色素瘤患者的臨床試驗中發現，與抗PD-1單藥治療相比，使用IDO1抑制劑聯合阻斷PD-1通路並沒有提高治療效果，由此提示

目前人們對於IDO1的作用以及隨後色氨酸在mRNA翻譯和癌症程序中的降解機制仍然缺乏真正的理解。

2020年12月16日，來自荷蘭癌症研究所的

Reuven Agami

團隊和以色列魏茨曼科學研究所的

Yardena Samuels

團隊在

Nature

上線上發表題為“

Nature

”的文章，在黑色素瘤細胞中利用核糖體分析來研究長期IFN-γ處理下對mRNA翻譯的影響，

Anti-tumour immunity induces aberrant peptide presentation in melanoma

由此

Anti-tumour immunity induces aberrant peptide presentation in melanoma

腫瘤細胞可以透過上調幾種氨基酸轉運體和WARS（色氨酸醯tRNA合成酶）的表達來補償IFNγ誘導的色氨酸缺乏。一旦色氨酸得到補充，這就可以提高細胞存活率並加速恢復。那麼持續的IFNγ介導的色氨酸缺乏對黑色素瘤的長期影響又是怎樣的呢？

為了解決這個問題，研究人員用IFNγ處理黑色素瘤細胞系，然後進行核糖體分析，並透過差異核糖體密碼子閱讀（diricore）分析核糖體保護片段（RPF），以檢測密碼子水平上核糖體佔有率的差異模式。結果發現，與色氨酸缺失細胞一樣，IFNγ處理的細胞的翻譯起始也受到整體抑制，ATG起始密碼子處的RPF密度降低，值得注意的是在色氨酸密碼子下游出現大量的RPF積累，被稱為“W型突起”。由此表明，色氨酸的缺失不僅會導致色氨酸密碼子處核糖體的阻滯，而且還會導致色氨酸密碼子下游核糖體的積累。

值得注意的是，研究人員發現儘管在對照細胞中，沒有一個密碼子在突起附近富集，但IFNγ的處理可在突起上游20個氨基酸附近誘導一個色氨酸訊號。進一步地，研究人員分析了兩組蛋白質，其中一組中兩個色氨酸殘基在8個氨基酸內被編碼（<8組），另一組中兩個色氨酸被超過8個氨基酸分開（>8組）。結果顯示<8組具有更強的“W型突起”，以及IFNγ介導的蛋白表達減少。由此表明IFNγ誘導的“W型突起”的形成與8個密碼子區域內多個色氨酸密碼子的存在有關，“W型突起”在IFNγ訊號通路介導的蛋白質合成抑制中發揮著重要的生物學功能。

鑑於“W型突起”的上述特徵，研究人員認為“W型突起”可能與核糖體出口通道中新生肽的二級結構有關。研究結果顯示，在蛋白質組中，

發現在色氨酸缺乏時，核糖體可在色氨酸密碼子處停滯並在下游積累，併發生核糖體移碼事件，從而在細胞表面誘導產生異常肽。

由此也提示“W型突起”形成的部分原因可能是核糖體透過移碼繞過色氨酸密碼子，但隨後在其下游出口通道中出現了翻譯框之外的異常多肽而暫停所致。與此同時，結合蛋白質組學和免疫肽組學分析也證實了色氨酸缺失在IFNγ誘導嵌合跨翻譯框蛋白中的因果作用。進一步地在整個蛋白質組中尋找異常多肽，研究人員檢測出124個不存於任何編碼框內多肽中的編碼框外和跨編碼框多肽（包括假基因或上游開放閱讀框）。值得注意的是，儘管IFNγ的處理導致蛋白質組多肽的強度降低（可能是由於mRNA翻譯減少），但大多數異常肽只在IFNγ處理條件下出現。由此表明在用IFNγ處理後，色氨酸殘基上發生了內源性移碼事件。

與在IFNγ處理細胞中觀察到的蛋白質特徵一致，研究人員也觀察到人白細胞抗原（HLA）分子對免疫蛋白酶體和抗原提呈的強烈誘導作用。由於HLA遞呈的肽大部分來自新合成的、快速降解的蛋白質，以及隱藏的、非經典翻譯的蛋白質，那麼IFNγ處理誘導的異常多肽是否也會被遞呈到細胞表面呢？實驗結果給出了肯定的答案。從來自黑色素瘤細胞的免疫肽學資料以及來自同一患者的新鮮轉移瘤中，研究人員檢測到94個HLAⅠ類（HLA-I）結合的異常肽，其中13個在轉移灶中特異表達，81個在MD55A3細胞中有表達，並且IFNγ處理後這些多肽更容易富集。此外用這些異常多肽可以啟動來自健康供者的原始T細胞誘導多肽特異性T細胞。由此表明

揭示了IFN-γ誘導的IDO1介導的色氨酸耗竭，可以透過促進肽段結構多樣化而在黑色素瘤細胞的免疫識別中發揮作用。

綜上所述，

“W型突起”周圍的多肽序列比其他區域更容易形成α-螺旋結構。而色氨酸的缺乏可透過核糖體移碼事件繞過核糖體失速位點，導致α-螺旋結構丟失，阻礙核糖體的程序。

（來源於它們與T細胞的相互作用）

IFNγ誘導的異常多肽的內源性產生及其在細胞表面的遞呈，並且可以引起T細胞的免疫應答。

（下圖）

本文發現黑色素瘤細胞長期暴露於IFNγ

IFNγ訊號傳導效應的示意圖

可誘導IDO1介導的色氨酸耗竭。儘管色氨酸耗竭導致核糖體在色氨酸密碼子上的阻滯，但是mRNA翻譯仍然可以透過核糖體移碼進行，從而導致核糖體出口通道內產生了翻譯框外和跨框架的異常多肽以及二級結構的丟失，色氨酸密碼子下游核糖體積累。而這些異常多肽不僅可在整個蛋白質組中被檢測到，也可以被HLA-I遞呈到黑色素瘤細胞表面，啟動T細胞

。由此揭開了腫瘤細胞應對氨基酸短缺時的新的翻譯機制，為黑色素瘤遞呈HLA多肽的複雜背景提供了新的見解。

原文連結：

1。 Pardoll DM。 The blockade of immune checkpoints in cancer immunotherapy。

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

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