细胞核程序性死亡-配体1在肿瘤发生发展及免疫逃逸中的作用和机制研究进展

陈国毅 陈科 叶章群

程序性死亡配体1(programmed death-ligand 1,PD-L1)又称B7-H1或CD274,通常被认为是一种Ⅰ型跨膜蛋白[1]。PD-L1在肿瘤细胞或肿瘤浸润免疫细胞中异常表达上调,并与T 细胞上的程序性死亡受体1(progra mmed deat h-1,PD-1)结合导致T 细胞功能障碍,引起肿瘤细胞的免疫逃逸[1]。因此,针对PD-1/PD-L1信号通路的特异性抗体在部分肿瘤中显示出良好的抗肿瘤作用,比如肾癌和尿路上皮癌等[3-4]。这使得抗PD-1/PD-L1 治疗成为免疫治疗的主流方向。但是不少肿瘤对此疗法无效果或者很快产生耐药,比如前列腺癌和卵巢癌等[5-6]。

既往大多数研究认为PD-L1主要定位在细胞膜上并发挥作用。但近期研究证实了PD-L1在多种肿瘤细胞中的核定位[7-11]。而且细胞核PD-L1在调节姐妹染色单体凝聚、免疫相关基因转录、细胞焦亡、肿瘤干细胞形成、细胞周期、细胞衰老和肿瘤血管形成等细胞生物学过程中发挥重要的作用[7,12-13]。本文就目前细胞核PD-L1 的新作用及机制进行综述,期望为以PD-L1为靶点开展的肿瘤免疫治疗研究提供新的思路和依据。

一、PD-L1入核调控

与细胞膜PD-L1相比,PD-L1的核转位启动需要特定的肿瘤微环境。Hou等[13]对比了PD-L1抗体、小分子药物、细胞因子、自噬和细胞应激对PD-L1核转位的作用,并发现缺氧是最容易诱导PD-L1核转位的因素,而且这个过程不依赖缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)。此外,化疗药物也可上调乳腺癌细胞核PD-L1的表达。而抗氧化剂白藜芦醇则可下调口腔癌细胞核PD-L1的表达[14]。

PD-L1核转位是一个复杂的过程,需要精准的调控。迄今为止,细胞核PD-L1来源主要包括细胞膜PD-L1内吞、核质运输以及非胞膜内化,在细胞质合成后直接运送至细胞核。肿瘤细胞通过过表达组蛋白去乙酰化酶2(histone deacetylase 2,HDAC2),将细胞膜PD-L1去乙酰化,其细胞质结构域的Lys263与亨廷顿蛋白相互作用蛋白1相关蛋白(huntingtin-interacting-protein-1-related pr otein,HIP1 R)相互作用实现PD-L1内吞[7,15]。内吞后的PD-L1与细胞骨架蛋白Vi mentin相互作用,并通过核转运蛋白(karyopherin,KPNs)转运至细胞核内[7,16-17]。Schulz等[18]进一步发现PDL1与Vi mentin的相互作用受到细胞周期调控。此外,信号转导及转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)可能通过与KPNs和TRI M59(一种泛素连接酶)的结合形成转运复合体,参与PD-L1的核转运[13,19-20],但具体机制尚不清楚。Wei等[21]发现早老素-1(Presenilin-1,PSEN1)可能也参与了PD-L1 的核转位。另一种观点认为,PD-L1在内质网和高尔基体中翻译后被大量糖基化,然后通过与糖基化结合蛋白的结合直接转运至细胞核,而不需要通过细胞膜PD-L1的内吞[12]。

二、细胞核PD-L1在肿瘤细胞中的作用

1.细胞核PD-L1维持姐妹染色单体凝聚和基因组稳定性:研究显示,在不依赖PD-1或免疫调节的情况下,PD-L1的缺失抑制了肿瘤细胞的增殖、集落形成和肿瘤生长[12]。PD-L1作为黏连蛋白复合体的一个亚基,其缺失导致多核细胞的形成和姐妹染色单体凝聚不足。该现象的可能机制是PD-L1弥补了黏合素的稳定因子(Sororin)的缺失,通过与半翼基因(wing apart-like,WAPL)蛋白竞争性结合PDS5B来确保姐妹染色单体凝聚和基因组的稳定性[12]。也有研究报道PD-L1的缺失还增加了肿瘤细胞对放疗的敏感性,并且不依赖PD-1或免疫调节,其可能的机制是PD-L1作为一种RNA 结合蛋白,调节DNA 损伤相关基因的mRNA 稳定性,从而通过拮抗RNA 外泌体介导的RNA 降解增加细胞对DNA 损伤的抵抗力[22]。Schulz等[18]进一步利用PD-L1免疫共沉淀结合质谱分析和基因本体(Gene Ontology,GO)分析发现,细胞核PD-L1 参与了DNA 重塑和mRNA 剪接。此外,PD-L1的核转运在调节头颈部鳞状细胞癌细胞对放疗的抵抗性起着重要作用[16]。这些发现表明,细胞核PD-L1在调节姐妹染色单体凝聚、基因组稳定性和细胞核内DNA损伤反应中具有重要作用。

2.细胞核PD-L1调控免疫相关基因表达:细胞核PD-L1可与包括Rel A 和IFN 调节因子在内的多种转录因子相互作用,调节促炎和免疫反应相关基因的转录,如IFN-γ信号、NF-κB信号、免疫检查点和MHC-I介导的抗原加工和递呈[7]。细胞核PD-L1 可促 进PD-L2、VISTA、B7 H3 等免疫抑制分子的转录,从而降低T 细胞诱导的抗肿瘤免疫。值得注意的是,通过基因沉默或药物抑制PD-L1的去乙酰化和核转运可增强PD-1阻断治疗的疗效[7]。因此,细胞核PD-L1通过调控免疫相关基因的表达影响PD-1阻断治疗的抗肿瘤疗效。

3.细胞核PD-L1 与细胞焦亡:细胞焦亡是Gasder min(GSDM)家族介导的一种溶解性促炎类型的程序性死亡[23]。GSDM 家族包括GSDM A、B、C、D、E 和DFNB59,共六个成员[24]。GSDM 蛋白被Caspase家族裂解,产生的N 端片段聚合并插入质膜,形成内径为10～20 n m 的孔隙,引起细胞焦亡[24]。Hou等[13]的研究发现细胞核PD-L1 可通过上调GSDMC的表达,加速缺氧条件下TNF-α诱导的肿瘤细胞坏死,进而促进化疗介导的乳腺癌细胞焦亡。这种现象的机制可能是磷酸化的STAT3与PD-L1相互作用促进PD-L1核转运,进而在缺氧应激条件下上调GSDMC 的转录。PD-L1的缺失会降低PD-L1/STAT1复合物的功能,抑制缺氧诱导的焦亡[25]。这些结果表明,细胞核PD-L1 可以调节GSDMC/caspase-8介导的非典型细胞焦亡途径,诱导缺氧条件下肿瘤细胞的坏死。

4.细胞核PD-L1调控Gas6/Mer Tk信号通路:生长停滞特异性蛋白6(Growt h arrest-specific protein 6,GAS6) 是一个大小约75 k Da的可溶性糖蛋白,通过与下游TA M 受体相互作用,激活受体酪氨酸激酶活性,在肿瘤发生、发展和免疫逃逸中发挥重要作用[26]。目前已确认的GAS6 受体包括Mer TK、TYRO3和AXL[26]。最近的一项研究表明,细胞核PD-L1可与转录因子Sp1相互作用,促进GAS6的表达[16]。Gas6蛋白随后分泌到细胞外空间,并与细胞膜上的Mer Tk结合,激活下游RAS/ERK 和PI3 K/AKT 致癌信号通路,促进非小细胞肺癌细胞增殖。此外,PD-L1与Sp1相互作用还可调控其他下游基因的表达,如 CDK1、CDK4 和HOGG1[16]。然而,目前尚不清楚通过细胞核PD-L1介导的Gas6/Mer TK 激活是否会对PD-1/PD-L1阻断产生影响。

5.细胞核PD-L1与肿瘤干细胞形成:肿瘤干细胞是肿瘤细胞中具有拥有自我更新能力的细胞群,被认为与肿瘤的发生、发展和复发密切相关[27]。NF-κB 信号通路是肿瘤干细胞形成的关键因素和治疗靶点。有研究报道细胞核PD-L1可上调ReIB的表达,ReIB与p65结合形成复合体激活NFκB信号通路,促进IL-6的表达的分泌,进而诱导乳腺癌干细胞形成[28]。另一项研究也报道了细胞核PD-L1 可通过ReIB/IL-6促进食道癌干细胞形成[29]。这些结果表明,细胞核PD-L1在肿瘤干细胞形成中发挥重要作用,靶向细胞核PD-L1为难治性恶性肿瘤提供了潜在治疗方向。

6.细胞核PD-L1调控肿瘤细胞周期、细胞衰老和血管形成:Ma等[30]的研究发现细胞核PD-L1通过与甲状腺激素受体相关蛋白3(thyroid hor mone receptor-associated protein 3,T HRAP3)的相互作用,上调细胞周期调节因子BUB1的表达,从而加速细胞周期进程并促进细胞增殖。此外,PD-L1还被证明可以与STING 启动子区域结合,负向调控STING的表达,进而促进肿瘤的发生。通过沉默细胞核PD-L1,可增强STING 启动子活性,STING 表达增加,进而加速肿瘤细胞的衰老,抑制肿瘤的生长[31]。而且在联用衰老诱导剂阿霉素后,靶向PD-L1的效果也得到了增强。

Yu等[11]的最新研究发现,细胞核PD-L1在葡萄膜黑色素瘤中的细胞核定位,并且与不良预后密切相关。细胞核PD-L1的沉默导致肿瘤细胞的促血管生成能力显著减弱。研究机制表明,胞核PD-L1可上调p-STAT3与EGR1的启动子结合,进而促进EGR1 介导的血管生成。通过抑制HDAC2对细胞膜PD-L1去乙酰化,可以阻断PD-L1进入细胞核,从而减弱PD-L1 的促血管生成作用。这说明细胞核PD-L1可通过调控肿瘤血管生成来促进肿瘤的进展。

三、总结与展望

传统上认为PD-L1是一种表达于肿瘤细胞或肿瘤浸润免疫细胞表面的单一跨膜蛋白。其与T 细胞上的受体PD-1相互作用,导致T 细胞功能障碍和肿瘤免疫逃逸。但近年来越来越多研究证明PD-L1也可定位于细胞核内,通过非免疫检查点功能在肿瘤免疫逃逸和肿瘤发生发展中发挥重要的作用。但PD-L1入核的机制仍不是非常清楚。此外,现今迫切需要寻找新的生物标志物来预测PD-1/PD-L1 阻断治疗的疗效。虽然在部分肿瘤中发现细胞膜PD-L1 表达量与PD-1/PD-L1阻断治疗的反应率或临床获益呈正相关,但对于大部分肿瘤而言,细胞膜PD-L1无法成为有效的生物标志物。相比之下,细胞核PD-L1的发现可能会成为潜在的生物标志物。在治疗方面,联合使用PD-L1入核抑制剂有望增强肿瘤治疗的效果,因此可作为潜在的联合治疗靶点。

综上所述,细胞核PD-L1在调节肿瘤免疫逃避、姐妹染色单体凝聚及基因组稳定性、免疫相关基因转录、细胞焦亡、肿瘤干细胞形成、细胞周期、细胞衰老和肿瘤血管形成中发挥重要作用。此外,它还可能作为肿瘤进展或PD-1/PD-L1阻断治疗反应的潜在预后生物标志物和治疗靶点的潜力。