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)有免疫療法響應率極低。揭示腫瘤免疫逃逸機制有助于高效識別免疫治療新靶點，擴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起重要作用。
探究早期腫瘤編輯優(yōu)先下調的基因及其表達調控機制將為找到更具抗癌潛力的免疫治療靶點提供重要指南。然而，腫瘤在被臨床檢測到前已經歷了廣泛的編輯，捕獲腫瘤編輯早期事件在技術上頗具挑戰(zhàn)性。常用的同源移植腫瘤模型中，腫瘤細胞系已在體內被充分編輯過，很難用于早期腫瘤編輯相關研究。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制尚不明確。腫瘤編輯的前期研究中，關注點通常局限于活化適應性免疫所需關鍵基因，如抗原呈遞與加工相關基因等的表達調控。其他可能在腫瘤發(fā)生初期調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分析早期腫瘤編輯過程，并以單細胞分辨率解析該過程中腫瘤細胞及腫瘤浸潤淋巴細胞（Tumor-infiltrating lymphocytes，TIL）內的基因表達動態(tài)變化。
2024年8月21日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心張瑩課題組與哈佛大學醫(yī)學院合作，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。
該研究利用可誘導乳腺癌的轉基因小鼠模型收集極早期及晚期腫瘤進行全面的單細胞轉錄組測序（scRNA-seq），揭示了早期腫瘤編輯對腫瘤中關鍵先天及適應性免疫通路的優(yōu)先沉默，對TIL分化、功能及腫瘤-免疫細胞通信的顯著影響，并闡釋了DNA去甲基化治療在逆轉腫瘤免疫編輯、促進炎性癌細胞死亡、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。
轉基因小鼠腫瘤模型中，誘導特定組織內致癌基因的表達可在原位引發(fā)腫瘤，腫瘤細胞可特異性表達熒光蛋白以便于早期腫瘤的捕獲。相較于依賴細胞系的移植腫瘤，轉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格模型。
在這項研究中, 研究團隊利用了一種可誘導乳腺癌的轉基因小鼠模型——ErbB2Ex16小鼠，其可在多西環(huán)素（Dox）誘導后在乳腺上皮細胞中特異表達致癌基因Her2的持續(xù)激活突變體ErbB2Ex16，在7-28天內引發(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誘導僅一周左右, 研究者即可收集新發(fā)早期腫瘤, 并收集誘導一個月左右的晚期腫瘤同時進行scRNA-seq, 分析腫瘤早期發(fā)生過程中腫瘤細胞和TIL內全基因組水平的基因表達變化 (圖1.A)。結果顯示，晚期腫瘤相較于早期腫瘤主要下調先天及適應性免疫途徑相關基因的表達 (圖1.B)，而與腫瘤細胞自身存活、增殖及侵襲相關基因的表達變化不大，提示早期腫瘤編輯主要為免疫編輯。下調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, 病毒防御反應, 及細胞因子信號通路。晚期腫瘤細胞中下調基因所富集的前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。腫瘤進展中，早期腫瘤中初始及效應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。
表觀遺傳修飾是調控腫瘤中基因表達的重要機制，其中DNA甲基化可抑制多種免疫基因表達。為探究早期腫瘤編輯的作用機制，研究團隊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甲基轉移酶抑制劑地西他濱（Decitabine，DAC）治療。結果顯示DAC可強效抑制腫瘤生長甚至治愈以形成的轉基因小鼠腫瘤, 同時高效提升抗腫瘤免疫力，增加腫瘤微環(huán)境中殺傷淋巴細胞的數量及功能，增加具有更強腫瘤殺傷能力的組織駐留記憶CD8+ TIL6及負責抗原交叉呈遞激活CD8+ T細胞的經典I型樹突細胞7的數量，同時大幅降低髓系抑制性細胞的數量。進一步研究發(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，包括參與炎性細胞死亡、炎性細胞因子及I型干擾素（IFN-I）信號通路的不同關鍵基因。同時，研究團隊對低劑量DAC處理的乳腺癌細胞系進行轉錄組測序，發(fā)現(xiàn)DAC主要上調基因表達。令人意想不到的是，DAC上調基因幾乎完全富集于能夠提升腫瘤免疫原性的免疫相關通路(圖3)。DAC最顯著上調的基因主要富集在IFN 信號轉導、 炎癥細胞因子及T細胞免疫相關重要途徑、以及炎性細胞死亡途徑（包括細胞焦亡和壞死性凋亡）。重要的是，分析發(fā)現(xiàn)DAC在乳腺癌細胞中上調的基因與轉基因小鼠腫瘤從早期向晚期發(fā)展過程中下調的基因顯著重疊(圖3.A)。重疊基因大多是干擾素誘導基因（Interferon stimulated genes，ISG），參與所有主要的先天及適應性免疫通路。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制之一。
該研究同時發(fā)現(xiàn), DAC治療能在腫瘤內高效激活炎性癌細胞死亡, 包括膜打孔蛋白GSDME介導的細胞焦亡以及RIPK3介導的壞死性凋亡。盡管DAC處理腫瘤細胞中IFN-I信號通路相關基因上調最為顯著，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。敲除腫瘤細胞中的Gsdme、Ripk3、或IFN-I通路關鍵轉錄因子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信號招募并激活殺傷淋巴細胞，誘導有效的抗腫瘤免疫反應并增強免疫系統(tǒng)對腫瘤的控制。
綜上，該研究詳細刻畫了早期乳腺癌中的腫瘤編輯進程，揭示了腫瘤編輯對關鍵先天免疫途徑的優(yōu)先抑制及其在調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理。該研究提示，通過靶向性地表觀遺傳調控提升腫瘤中關鍵先天免疫途徑的活性有潛力促進腫瘤由“冷”轉“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。
北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心張瑩研究員與哈佛大學醫(yī)學院博士后Pourya Naderi Yeganeh為論文第一作者。北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心張瑩研究員、哈佛大學醫(yī)學院Winston Hide教授及Judy Lieberman教授為論文通訊作者。該研究得到北大-清華生命科學聯(lián)合中心，北京大學生命科學學院及細胞增殖與分化教育部重點實驗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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