前言

在过去的十年中,肿瘤免疫治疗已经在各种癌症治疗方面取得了重大进展。然而,最近的研究发现肿瘤微环境的复杂异质性,导致了不可忽视的治疗耐药性。恶性肿瘤的一个中心现象是代谢功能障碍,它在肿瘤和基质细胞中重新编程代谢稳态,从而影响特定蛋白质的代谢修饰。

这些翻译后修饰包括糖基化和棕榈酰化,它们通常会改变蛋白质的定位、稳定性和功能。其中许多蛋白参与急性或慢性炎症,并在肿瘤的发生和发展中发挥关键作用。因此,针对免疫检查点和炎症的这些代谢修饰为某些癌症提供了一种有吸引力的治疗策略。

肿瘤微环境中的代谢修饰

肿瘤微环境(TME)是一个复杂的生态系统,由许多细胞组成,这些细胞与癌细胞共同进化,影响癌症和非细胞成分的发展和进展。TME内存在各种复杂的细胞间通讯,因此许多细胞重新编程其代谢途径以适应酸性缺氧环境,为癌细胞提供能量支持,帮助癌细胞逃避免疫监视以及扩散和入侵。

在过去的20年中,越来越多的证据表明代谢与肿瘤和肿瘤微环境的发展密切相关。例如,已经证实癌细胞利用过度激活的PI3K-AKT途径通过上调葡萄糖转运蛋白GLUT1来驱动葡萄糖摄取;这有利于糖酵解途径并刺激大量丙酮酸和乳酸的产生,导致乙酰辅酶a的形成,可用于ATP合成或从头脂肪生成。另一方面,癌细胞和免疫细胞对谷氨酰胺和葡萄糖的摄取增加,不仅有助于增加糖酵解,还增加了进入代谢分支HBP途径的流量,HBP的最终产物是尿苷二磷酸(UDP)-GlcNAc,这是一种用于O-糖基化和N-糖基化的关键代谢物。事实上,有直接证据表明(UDP)-GlcNAc在乳腺癌中增加了12倍。

此外,肿瘤细胞需要形成大量的新膜,因此它们增加了内皮脂质的从头合成,这被称为脂肪酸代谢的重编程。研究表明FASN(催化棕榈酸合成)在许多人类癌症中升高。此外,肿瘤细胞还增加了负责摄取外源性FA的跨膜蛋白的表达,包括CD36(也称为FAT)、脂肪酸转运蛋白家族(FATP)或可溶性载体蛋白家族27(SLC27)。棕榈酸是细胞中最丰富的脂肪酸(占总脂肪酸的20%～30%),异常浓度的增加将触发更高水平的蛋白质脂质化,如棕榈酰化。

PD-L1的糖基化

PD-L1是一种I型跨膜蛋白,通常在肿瘤细胞和宿主免疫细胞上表达。PD-L1通过其胞外结构域与其受体PD1相互作用,抑制T细胞的攻击。质谱和序列分析表明,PD-L1主要在胞外区的四个糖基化位点(N35、N192、N200、N219)被N-聚糖修饰,这些修饰主要与其稳定性和与PD1的相互作用有关,代表PD-L1的功能形式。

研究发现PD-L1 的N-糖基化通过消除与GSK3β的相互作用来增强其稳定性,GSK3β可使PD-L1在T180和S184位点磷酸化,从而介导β-TrCP对PD-L1的26S蛋白酶体降解。PD-L1 的N-糖基化由β-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶3(B3GNT3)催化,该酶由转录因子TCF4下游的EGFR信号启动,并在三阴性乳腺癌(TNBC)中增强与PD-1的相互作用。此外,糖基化不仅通过EGFR信号,而且还通过TNBC中的上皮-间质转化(EMT)稳定PD-L1的表达。EMT通过Wnt/β-连环蛋白途径转录上调N-糖基转移酶STT3,从而导致癌症干细胞样细胞中PD-L1 N-糖基化升高。

PD-L1已被发现在许多癌症类型中存在糖基化,包括乳腺癌、黑色素瘤、肺癌、结肠癌等,是癌症的普遍特征。然而,糖基化途径可能是癌症类型依赖性的(通过特定的糖基转移酶)。例如,在某些B细胞淋巴瘤亚型中,糖基转移酶GLT1D1显著上调,并通过N-糖基化增强PD-L1稳定性,这提示GLT1D1可能是一种有前途的淋巴瘤生物标志物。

STM108是一种专门开发的抗体偶联药物,可识别PD-L1的N192位点糖基化,并导致PD-L1内化和降解,对缺乏PD-L1表达的相邻癌细胞产生有效的抗肿瘤作用和旁观者杀伤作用,而无任何可检测的毒性。这表明靶向糖基化PD-L1是一种潜在的免疫治疗策略,糖基化途径也可以作为早期诊断的靶点或生物标记物。

PD-1的糖基化

PD-1也是一种I型跨膜蛋白,与PD-L1不同,它通常在T淋巴细胞的细胞膜上表达。与PD-L1类似,PD-1胞外区也有四个N-糖基化位点(N49、N58、N74和N116),它们与PD-1细胞表面的稳定表达有关。此外,N58处PD-1的糖基化对PD-1细胞表面表达和稳定性至关重要,并且对介导其与PD-L1的相互作用至关重要。基于PD-1的糖基化研究,通过腺嘌呤碱基编辑器(ABE)在PD-1 N74位点诱导突变,可以下调CAR-T细胞中的PD-1表达,并在体外和体内增强CAR-T细胞的细胞毒性功能。

最近,一种新的针对N58糖基化PD-1的单克隆抗体STM418被开发出来,它显示出比先前FDA批准的抗体具有更高的PD-1亲和力,并诱导更强的T细胞抗肿瘤免疫。另一种PD-1抗体,camrelizumab也选择性地结合N58糖基化PD-1以抑制PD-1/PD-L1通路。这些研究表明,靶向糖基化PD-1可能改善免疫治疗反应。

虽然我们已经知道PD-1/PD-L1上的N-糖基化酶和位点,但到目前为止,PD-1/PD-L1上糖基的确切组成尚不清楚;揭示糖基体的进一步细节可能揭示更多潜在的分子靶点。尽管生化实验和动物模型已经证明,靶向PD-1/PD-L1 N-糖基化不仅提高了疾病诊断的准确性,而且提高了治疗的有效性,但仍需要更多的临床试验来验证其有效性和安全性。

PD-L1的棕榈酰化

棕榈酰化是一种通过三种不同方式将棕榈酸共价连接到蛋白质残基上的脂质化过程。(1) S-棕榈酰化,通过硫酯键连接到半胱氨酸残基,(2)O-棕榈酰化,通过氧酯键连接到丝氨酸/苏氨酸残基,(3)N-棕榈酰化,通过酰胺键连接到伯氨基。新证据表明S-棕榈酰化通过影响蛋白质迁移、膜定位、稳定性和相互作用来调节许多生物过程。

2019年,两个研究小组同时报告S-棕榈酰化维持PD-L1稳定性并抑制T细胞细胞毒性反应。他们都将C272确定为PD-L1上的棕榈酰化位点,用丙氨酸取代C272可消除肿瘤细胞中的PD-L1棕榈酰化。S-棕榈酰化通过抑制PD-L1的单泛素化来调节PD-L1的稳定性,从而阻止PD-L1的溶酶体降解,防止其通过ESCRT运输到MVB,导致PD-L1的细胞表面表达增加,从而抑制T细胞的细胞毒性。棕榈酰化抑制剂可能有助于降低PD-L1在肿瘤细胞中的表达。

棕榈酰化调节固有免疫和炎症

TLR4是一类固有免疫前哨细胞(如巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞)中的模式识别受体,属于Toll样受体家族。TLR4识别革兰氏阴性细菌的LPS,并通过激活下游NF-kB信号释放炎症因子TNF-α、IL-1β和IL-18参与炎症体激活。一系列研究证明,饱和脂肪酸棕榈酸酯不是TLR4激动剂,但参与TLR4下游MYD88上C113的棕榈酰化,这种棕榈酰化促进MYD88与IRAF4的结合,激活下游NF-κB信号通路,从而导致中性粒细胞的细胞代谢和炎症改变。

NOD1和NOD2是巨噬细胞中另一类细胞内模式识别受体,属于NOD样受体家族,识别与微生物相关的肽聚糖,并通过激活下游NF-kB和p38 MAPK信号释放趋化因子CXCL-1和炎症因子IL-6参与宿主防御。众所周知,NOD1/2功能失调会导致严重的免疫和炎症性疾病,如克罗恩病(CD)和布劳综合征。大量证据表明NOD1/2被ZDHHC5 S-棕榈酰化,这种S-棕榈酰化是膜定位和诱导NF-kB信号对肽聚糖的反应所必需的。

STING是对DNA病毒的固有免疫反应中的一个中心适配器,研究证明,STING在C89/91的高尔基体中通过ZDHHC3、ZDHHC7和ZDHHC15进行棕榈酰化,这种修饰对于STING激活和随后的IFN-β或NF-κb激活至关重要。

棕榈酰化研究的另一个进展是STAT3棕榈酰化-脱棕榈酰化循环。DHHC7催化的STAT3在Cys108上的棕榈酰化促进JAK2的膜募集和磷酸化,然后酰基蛋白硫酯酶2(APT2)使磷酸化的STAT3去棕榈酰化,这导致p-STAT3的核易位,最终促进STAT3介导的IL-17转录和TH17细胞的分化。TH17细胞分化障碍在IBD(包括溃疡性结肠炎和克罗恩病)中具有重要的致病作用,因此,DHHC7和APT2都可能成为IBD治疗的新靶点。

鉴于TME改变了脂质合成的代谢途径并导致较高的棕榈酸浓度,因此有理由推测至少在某些情况下,癌症相关蛋白靶点发生较高水平的棕榈酰化,从而积极调节肿瘤生存和免疫抑制。因此,靶向棕榈酰化来调节炎症可能为癌症治疗提供新的途径。

小结

转录后修饰在肿瘤细胞和肿瘤微环境中的调控机制是近几十年来的研究热点,并来取得了很大进展。该领域的基础研究揭示了TME中肿瘤异质性的更多秘密,揭示了肿瘤发生和免疫抑制的许多调节机制,并提出了许多癌症治疗的新方法。

靶向糖基化/去糖基化和棕榈酰化/去棕榈酰化途径是很有前景的,这包括上游生物合成途径、直接糖转移酶、棕榈酰化酶/脱棕榈酰化酶和许多下游效应蛋白,如PD-1/PD-L1、NOD1/2、STAT3等。随着更先进的糖基化和棕榈酰化研究方法的开发,相信会有更多突破性的发现,有可能改善当前免疫治疗的结果,并提供更多新的治疗机会。

参考文献:

1．Metabolic Modifications, Inflammation, andCancer Immunotherapy． Front Oncol． 2021; 11: 703681．