癌細胞有能力適應(yīng)和避開宿主免疫檢查點和監(jiān)測，以此促進自身存活。雖然這種適應(yīng)能力的確切分子機制仍有很大未知，但其中一個關(guān)鍵的信號通路即涉及程序性死亡-1（PD-1）及其配體PD-L1和PD-L2?？筆D-1單克隆抗體的臨床研究結(jié)果證實了通過PD-1受體阻斷靶向宿主免疫檢查點機制可產(chǎn)生持久的抗腫瘤反應(yīng)，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(huán)境中與反應(yīng)和耐藥相關(guān)的基本免疫學(xué)特征，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(jié)合的其他免疫決定因素的聯(lián)合阻斷方法【1】。

某些因素，如暴露于紫外線輻射、吸煙和慢性病毒感染，會破壞參與DNA復(fù)制和修復(fù)的關(guān)鍵基因，導(dǎo)致細胞異常生長。作為回應(yīng)，機體會啟動一個協(xié)調(diào)的先天性和適應(yīng)性抗腫瘤免疫反應(yīng)，導(dǎo)致干擾素γ（IFN-γ）的產(chǎn)生。IFN-γ是腫瘤微環(huán)境中由活化的T細胞、自然殺傷細胞（NK）和NK T細胞產(chǎn)生的關(guān)鍵細胞因子，在這一過程中起著重要的協(xié)調(diào)作用。高水平的浸潤性T細胞和IFN-γ信號反映了廣泛的腫瘤炎癥，可以改善黑色素瘤患者對檢查點免疫治療的反應(yīng)。然而，腫瘤的適應(yīng)性可以利用正、負免疫信號因子的微妙平衡，激活免疫抑制細胞途徑而逃脫宿主免疫。同樣的IFN-γ信號過程最終會誘導(dǎo)反饋抑制，從而損害抗腫瘤免疫。作為這個反饋回路的一部分，IFN-γ信號通過直接上調(diào)腫瘤、免疫浸潤和基質(zhì)細胞中的配體PD-L1和PD-L2來激活PD-1信號軸，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(diào)細胞毒性反應(yīng)【1,2】。另一方面，IFN-γ可以誘導(dǎo)腫瘤微環(huán)境中其他關(guān)鍵免疫抑制分子的表達，如吲哚胺2,3-雙加氧酶1（IDO1）。IDO1可通過GCN2途徑、mTOR途徑、犬尿氨酸毒性作用和有利于Terg分化等途徑降低色氨酸，催化色氨酸轉(zhuǎn)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(zhì)翻譯過程產(chǎn)生負面影響。另一方面，產(chǎn)生的一系列有毒的犬尿氨酸代謝產(chǎn)物會抑制T細胞的功能，促進免疫耐受。多種癌癥都被證實存在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】

盡管如此，在黑色素瘤患者的臨床試驗中發(fā)現(xiàn)，與抗PD-1單藥治療相比，使用IDO1抑制劑聯(lián)合阻斷PD-1通路并沒有提高治療效果，由此提示目前人們對于IDO1的作用以及隨后色氨酸在mRNA翻譯和癌癥進程中的降解機制仍然缺乏真正的理解。

2020年12月16日，來自荷蘭癌癥研究所的Reuven Agami團隊和以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Yardena Samuels團隊在Nature上在線發(fā)表題為“Anti-tumour immunity induces aberrant peptide presentation in melanoma”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，發(fā)現(xiàn)在色氨酸缺乏時，核糖體可在色氨酸密碼子處停滯并在下游積累，并發(fā)生核糖體移碼事件，從而在細胞表面誘導(dǎo)產(chǎn)生異常肽。由此揭示了IFN-γ誘導(dǎo)的IDO1介導(dǎo)的色氨酸耗竭，可以通過促進肽段結(jié)構(gòu)多樣化而在黑色素瘤細胞的免疫識別中發(fā)揮作用。

腫瘤細胞可以通過上調(diào)幾種氨基酸轉(zhuǎn)運體和WARS（色氨酸酰tRNA合成酶）的表達來補償IFNγ誘導(dǎo)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并加速恢復(fù)。那么持續(xù)的IFNγ介導(dǎo)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，然后進行核糖體分析，并通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占有率的差異模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(dǎo)致色氨酸密碼子處核糖體的阻滯，而且還會導(dǎo)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(fā)現(xiàn)盡管在對照細胞中，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(dǎo)一個色氨酸信號。進一步地，研究人員分析了兩組蛋白質(zhì)，其中一組中兩個色氨酸殘基在8個氨基酸內(nèi)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(jié)果顯示<8組具有更強的“W型突起”，以及IFNγ介導(dǎo)的蛋白表達減少。由此表明IFNγ誘導(dǎo)的“W型突起”的形成與8個密碼子區(qū)域內(nèi)多個色氨酸密碼子的存在有關(guān)，“W型突起”在IFNγ信號通路介導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成抑制中發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能。

鑒于“W型突起”的上述特征，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(jié)構(gòu)有關(guān)。研究結(jié)果顯示，在蛋白質(zhì)組中，“W型突起”周圍的多肽序列比其他區(qū)域更容易形成α-螺旋結(jié)構(gòu)。而色氨酸的缺乏可通過核糖體移碼事件繞過核糖體失速位點，導(dǎo)致α-螺旋結(jié)構(gòu)丟失，阻礙核糖體的進程。由此也提示“W型突起”形成的部分原因可能是核糖體通過移碼繞過色氨酸密碼子，但隨后在其下游出口通道中出現(xiàn)了翻譯框之外的異常多肽而暫停所致。與此同時，結(jié)合蛋白質(zhì)組學(xué)和免疫肽組學(xué)分析也證實了色氨酸缺失在IFNγ誘導(dǎo)嵌合跨翻譯框蛋白中的因果作用。進一步地在整個蛋白質(zhì)組中尋找異常多肽，研究人員檢測出124個不存于任何編碼框內(nèi)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，盡管IFNγ的處理導(dǎo)致蛋白質(zhì)組多肽的強度降低（可能是由于mRNA翻譯減少），但大多數(shù)異常肽只在IFNγ處理條件下出現(xiàn)。由此表明在用IFNγ處理后，色氨酸殘基上發(fā)生了內(nèi)源性移碼事件。

與在IFNγ處理細胞中觀察到的蛋白質(zhì)特征一致，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(dǎo)作用。由于HLA遞呈的肽大部分來自新合成的、快速降解的蛋白質(zhì)，以及隱藏的、非經(jīng)典翻譯的蛋白質(zhì)，那么IFNγ處理誘導(dǎo)的異常多肽是否也會被遞呈到細胞表面呢？實驗結(jié)果給出了肯定的答案。從來自黑色素瘤細胞的免疫肽學(xué)數(shù)據(jù)以及來自同一患者的新鮮轉(zhuǎn)移瘤中，研究人員檢測到94個HLAⅠ類（HLA-I）結(jié)合的異常肽，其中13個在轉(zhuǎn)移灶中特異表達，81個在MD55A3細胞中有表達，并且IFNγ處理后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(dǎo)多肽特異性T細胞。由此表明IFNγ誘導(dǎo)的異常多肽的內(nèi)源性產(chǎn)生及其在細胞表面的遞呈，并且可以引起T細胞的免疫應(yīng)答。

綜上所述，本文發(fā)現(xiàn)黑色素瘤細胞長期暴露于IFNγ（來源于它們與T細胞的相互作用）可誘導(dǎo)IDO1介導(dǎo)的色氨酸耗竭。盡管色氨酸耗竭導(dǎo)致核糖體在色氨酸密碼子上的阻滯，但是mRNA翻譯仍然可以通過核糖體移碼進行，從而導(dǎo)致核糖體出口通道內(nèi)產(chǎn)生了翻譯框外和跨框架的異常多肽以及二級結(jié)構(gòu)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(zhì)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（下圖）。由此揭開了腫瘤細胞應(yīng)對氨基酸短缺時的新的翻譯機制，為黑色素瘤遞呈HLA多肽的復(fù)雜背景提供了新的見解。

 IFNγ信號傳導(dǎo)效應(yīng)的示意圖

原文鏈接：

https:///10.1038/s41586-020-03054-1

1. Pardoll DM. The blockade of immune checkpoints in cancer immunotherapy. Nat Rev Cancer. 12(4):252–264 (2012).

2. Ji, R. R. et al. An immune-active tumor microenvironment favors clinical response to ipilimumab. Cancer Immunol. Immunother. 61, 1019–1031 (2012).

3. Fangxuan Li, Rupeng Zhang et al. IDO1: An important immunotherapy target in cancer treatment. Int Immunopharmacol. 47:70-77 (2017).

4. Zhai, L. et al. Molecular pathways: targeting IDO1 and other tryptophan dioxygenases for cancer immunotherapy. Clin. Cancer Res. 21, 5427–5433 (2015).