免疫治療已徹底改變了癌癥治療的前景并治愈了一部分難以治療的癌癥。然而，大多低免疫原性腫瘤仍對現(xiàn)有免疫療法響應(yīng)率極低。揭示腫瘤免疫逃逸機(jī)制有助于高效識別免疫治療新靶點(diǎn)，擴(kuò)大可治療腫瘤的范圍。早期腫瘤形成中，腫瘤會編輯其基因表達(dá)以逃避免疫監(jiān)視，該“腫瘤編輯”過程是塑造腫瘤免疫原性的關(guān)鍵時期。新生腫瘤中優(yōu)先沉默的基因很可能對提升腫瘤免疫原性及誘發(fā)有效的抗腫瘤免疫反應(yīng)起重要作用。
探究早期腫瘤編輯優(yōu)先下調(diào)的基因及其表達(dá)調(diào)控機(jī)制將為找到更具抗癌潛力的免疫治療靶點(diǎn)提供重要指南。然而，腫瘤在被臨床檢測到前已經(jīng)歷了廣泛的編輯，捕獲腫瘤編輯早期事件在技術(shù)上頗具挑戰(zhàn)性。常用的同源移植腫瘤模型中，腫瘤細(xì)胞系已在體內(nèi)被充分編輯過，很難用于早期腫瘤編輯相關(guān)研究。由于檢測及分離早期腫瘤的難度，新發(fā)腫瘤中的基因編輯程序及其作用機(jī)制尚不明確。腫瘤編輯的前期研究中，關(guān)注點(diǎn)通常局限于活化適應(yīng)性免疫所需關(guān)鍵基因，如抗原呈遞與加工相關(guān)基因等的表達(dá)調(diào)控。其他可能在腫瘤發(fā)生初期調(diào)控其免疫原性的重要途徑, 特別是先天免疫途徑的活性變化仍然未知。
直到最近，尚未有研究在全基因組范圍內(nèi)分析早期腫瘤編輯過程，并以單細(xì)胞分辨率解析該過程中腫瘤細(xì)胞及腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（Tumor-infiltrating lymphocytes，TIL）內(nèi)的基因表達(dá)動態(tài)變化。
2024年8月21日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張瑩課題組與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院合作，在 Nature Immunology 期刊發(fā)表了題為：Tumor editing suppresses innate and adaptive anti-tumor immunity and is reversed by inhibiting DNA methylation 的研究論文。
該研究利用可誘導(dǎo)乳腺癌的轉(zhuǎn)基因小鼠模型收集極早期及晚期腫瘤進(jìn)行全面的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-seq），揭示了早期腫瘤編輯對腫瘤中關(guān)鍵先天及適應(yīng)性免疫通路的優(yōu)先沉默，對TIL分化、功能及腫瘤-免疫細(xì)胞通信的顯著影響，并闡釋了DNA去甲基化治療在逆轉(zhuǎn)腫瘤免疫編輯、促進(jìn)炎性癌細(xì)胞死亡、提升腫瘤免疫原性及抗腫瘤免疫力方面發(fā)揮的重要功效。
轉(zhuǎn)基因小鼠腫瘤模型中，誘導(dǎo)特定組織內(nèi)致癌基因的表達(dá)可在原位引發(fā)腫瘤，腫瘤細(xì)胞可特異性表達(dá)熒光蛋白以便于早期腫瘤的捕獲。相較于依賴細(xì)胞系的移植腫瘤，轉(zhuǎn)基因小鼠腫瘤更接近人類癌癥，通常對免疫治療不敏感，是研究早期腫瘤編輯、腫瘤微環(huán)境中腫瘤-免疫互作演變及潛在免疫治療策略的理想嚴(yán)格模型。
在這項(xiàng)研究中, 研究團(tuán)隊(duì)利用了一種可誘導(dǎo)乳腺癌的轉(zhuǎn)基因小鼠模型——ErbB2Ex16小鼠，其可在多西環(huán)素（Dox）誘導(dǎo)后在乳腺上皮細(xì)胞中特異表達(dá)致癌基因Her2的持續(xù)激活突變體ErbB2Ex16，在7-28天內(nèi)引發(fā)侵襲性乳腺癌。乳腺腫瘤的淺表位置使研究者可第一時間探測腫瘤發(fā)生并取樣。Dox誘導(dǎo)僅一周左右, 研究者即可收集新發(fā)早期腫瘤, 并收集誘導(dǎo)一個月左右的晚期腫瘤同時進(jìn)行scRNA-seq, 分析腫瘤早期發(fā)生過程中腫瘤細(xì)胞和TIL內(nèi)全基因組水平的基因表達(dá)變化 (圖1.A)。結(jié)果顯示，晚期腫瘤相較于早期腫瘤主要下調(diào)先天及適應(yīng)性免疫途徑相關(guān)基因的表達(dá) (圖1.B)，而與腫瘤細(xì)胞自身存活、增殖及侵襲相關(guān)基因的表達(dá)變化不大，提示早期腫瘤編輯主要為免疫編輯。下調(diào)基因主要富集在先天免疫途徑，包括I型及II型干擾素（IFN）信號傳導(dǎo), 病毒防御反應(yīng), 及細(xì)胞因子信號通路。晚期腫瘤細(xì)胞中下調(diào)基因所富集的前20條最顯著通路全部為先天免疫途徑, 提示其對腫瘤免疫原性有重要影響。腫瘤進(jìn)展中，早期腫瘤中初始及效應(yīng)CD8+ TIL大部分被功能耗竭或耗竭前體CD8+ TIL所取代。同時, 腫瘤細(xì)胞與NK或不同CD8+ TIL亞群之間的多種重要通訊，包括IFN-γ及IL-2通路，CD80和LIGHT共刺激信號等抗腫瘤免疫途徑均被破壞(圖2)，突顯了早期腫瘤編輯削弱腫瘤免疫原性的能力。
表觀遺傳修飾是調(diào)控腫瘤中基因表達(dá)的重要機(jī)制，其中DNA甲基化可抑制多種免疫基因表達(dá)。為探究早期腫瘤編輯的作用機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)利用攜帶乳腺癌或黑色素瘤的多種自發(fā)或同源移植腫瘤小鼠模型，使用低劑量DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑地西他濱（Decitabine，DAC）治療。結(jié)果顯示DAC可強(qiáng)效抑制腫瘤生長甚至治愈以形成的轉(zhuǎn)基因小鼠腫瘤, 同時高效提升抗腫瘤免疫力，增加腫瘤微環(huán)境中殺傷淋巴細(xì)胞的數(shù)量及功能，增加具有更強(qiáng)腫瘤殺傷能力的組織駐留記憶CD8+ TIL6及負(fù)責(zé)抗原交叉呈遞激活CD8+ T細(xì)胞的經(jīng)典I型樹突細(xì)胞7的數(shù)量，同時大幅降低髓系抑制性細(xì)胞的數(shù)量。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 在攜帶ErbB2Ex16或4T1原位乳腺癌，或B16F10黑色素瘤的荷瘤鼠中使用低劑量DAC治療可顯著提升多種先天免疫基因表達(dá)，包括參與炎性細(xì)胞死亡、炎性細(xì)胞因子及I型干擾素（IFN-I）信號通路的不同關(guān)鍵基因。同時，研究團(tuán)隊(duì)對低劑量DAC處理的乳腺癌細(xì)胞系進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)DAC主要上調(diào)基因表達(dá)。令人意想不到的是，DAC上調(diào)基因幾乎完全富集于能夠提升腫瘤免疫原性的免疫相關(guān)通路(圖3)。DAC最顯著上調(diào)的基因主要富集在IFN 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、 炎癥細(xì)胞因子及T細(xì)胞免疫相關(guān)重要途徑、以及炎性細(xì)胞死亡途徑（包括細(xì)胞焦亡和壞死性凋亡）。重要的是，分析發(fā)現(xiàn)DAC在乳腺癌細(xì)胞中上調(diào)的基因與轉(zhuǎn)基因小鼠腫瘤從早期向晚期發(fā)展過程中下調(diào)的基因顯著重疊(圖3.A)。重疊基因大多是干擾素誘導(dǎo)基因（Interferon stimulated genes，ISG），參與所有主要的先天及適應(yīng)性免疫通路。重疊基因最顯著富集的前 22個GO為先天免疫途徑, 表明優(yōu)先沉默關(guān)鍵先天免疫途徑是免疫編輯降低腫瘤免疫原性的主要方式, 而DNA甲基化是早期腫瘤免疫編輯的重要機(jī)制之一。
該研究同時發(fā)現(xiàn), DAC治療能在腫瘤內(nèi)高效激活炎性癌細(xì)胞死亡, 包括膜打孔蛋白GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡以及RIPK3介導(dǎo)的壞死性凋亡。盡管DAC處理腫瘤細(xì)胞中IFN-I信號通路相關(guān)基因上調(diào)最為顯著，利用DAC治療IFN-I受體Ifnr敲除的小鼠并未顯著影響其抗腫瘤能力。敲除腫瘤細(xì)胞中的Gsdme、Ripk3、或IFN-I通路關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Irf3/7均可顯著削弱DAC抑制腫瘤生長及激活抗腫瘤免疫力的能力, 表明多種先天免疫通路（干擾素、焦亡和壞死性凋亡）的激活都可作為危險(xiǎn)信號招募并激活殺傷淋巴細(xì)胞，誘導(dǎo)有效的抗腫瘤免疫反應(yīng)并增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對腫瘤的控制。
綜上，該研究詳細(xì)刻畫了早期乳腺癌中的腫瘤編輯進(jìn)程，揭示了腫瘤編輯對關(guān)鍵先天免疫途徑的優(yōu)先抑制及其在調(diào)控腫瘤免疫原性中的重要性，闡釋了DNA甲基化在腫瘤免疫編輯中發(fā)揮的關(guān)鍵作用并證明了通過DAC抑制DNA甲基化的抗癌潛能及作用機(jī)理。該研究提示，通過靶向性地表觀遺傳調(diào)控提升腫瘤中關(guān)鍵先天免疫途徑的活性有潛力促進(jìn)腫瘤由“冷”轉(zhuǎn)“熱”，為提升抗腫瘤免疫力及開發(fā)高效免疫治療新策略提供了新思路。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張瑩研究員與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后Pourya Naderi Yeganeh為論文第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張瑩研究員、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Winston Hide教授及Judy Lieberman教授為論文通訊作者。該研究得到北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院及細(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持和資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41590-024-01932-8
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