《自然·遗传学》:让癌细胞“无法摆脱”的T细胞基因突变 找到了！

来源：奇点蛋糕2022-08-22 18336022

近年来，肿瘤免疫治疗发展迅速，在抗肿瘤领域取得了很大进展，极大地改善了肿瘤患者的生存状况。

近年来，肿瘤免疫治疗发展迅速，在抗肿瘤领域取得了很大进展，极大地改善了肿瘤患者的生存状况。

其中，免疫检查点封闭疗法(ICB)是一种广泛应用的肿瘤免疫疗法，通过封闭免疫检查点，可以有效恢复T细胞的功能，激活抗肿瘤免疫反应，从而提高抗肿瘤疗效。

虽然ICB疗法已被证明对多种类型的肿瘤有效，但只有少数患者能长期受益于ICB疗法。那么，是什么导致癌症患者对ICB治疗的反应不同呢？

最近，来自美国克利夫兰诊所免疫治疗和精确肿瘤学中心的Timothy A. Chan团队在《自然 遗传学》期刊上发表了重要的研究成果[2]，发现了一个重要的影响因素。

他们的研究发现，具有DNA聚合酶(POLE)和DNA聚合酶1(POLD1)功能突变的肿瘤对ICB治疗更敏感。令研究人员惊讶的是，POLE/POLD1的突变谱与新肿瘤抗原的生化特征密切相关。

从机理上讲，引起与POLE/POLD1功能相关的特征改变，使肿瘤细胞产生新的叛徒抗原。这些新抗原与T细胞受体接触的残基的疏水性增强，这促进了T细胞对肿瘤细胞的识别。

此外，他们的研究表明，基于POLE/POLD1功能突变特征的模型在筛选受益于ICB治疗的患者方面优于其他传统模型。

报纸首页截图

自从ICB治疗被FDA批准用于临床应用以来，Timothy A. Chan的团队一直在研究影响患者从ICB治疗中获益差异的遗传因素。

他们之前的研究表明，DNA损伤修复(DDR)途径的致病性变化与患者对ICB治疗的反应增强有关[3-5]。如错配修复缺陷(MMRd)会导致微卫星不稳定性(MSI)，增加肿瘤突变负荷(TMB)，使肿瘤细胞产生更多新抗原，促进肿瘤对ICB疗法的敏感性[6]。高MSI和高TMB也是FDA批准的ICB治疗的两个重要标志。

因为编码DNA聚合酶的基因是DDR基因，这两个基因的突变会在近4%的肿瘤中发生[7]。最近，许多研究报道，具有POLE/POLD1致病突变的肿瘤高度浸润免疫细胞，提示这些突变可能有利于提高免疫识别，从而促进患者对ICB疗法的反应[8，9]。然而，POLE/POLD1的功能突变和ICB治疗的益处之间的具体机制仍然不清楚。

鉴于前人和我们团队的研究基础，Timothy A. Chan团队将通过免疫组学、动物模型和临床数据统计分析等手段，综合分析POLE/POLD1的功能突变和ICB治疗反应的分子机制。

接下来，我们来看看Timothy A. Chan的团队是如何进行这项研究的。

由于小鼠POLE/POLD1与人类高度同源，研究人员首先通过CRISPR-HDR基因编辑技术构建了POLEP286R突变的小鼠B16F10黑色素瘤细胞系。体外传代8周后，检测到突变细胞系中新的单核苷酸变异较亲代细胞系增加了4.7倍。

因此，研究人员将建立的POLEP286R突变小鼠黑色素瘤细胞系移植到C57BL/6J小鼠中，以研究它们对ICB治疗的敏感性。

与亲代细胞系建立的移植性肿瘤模型相比，无论是ICB单药治疗(PD-1或CTLA-4抑制剂)还是联合治疗，移植了POLEP286R位点突变的B16F10黑色素瘤细胞的小鼠对ICB治疗明显更敏感，肿瘤大小明显受到抑制，肿瘤组织中浸润了更多的CD3 T细胞，至少是亲代细胞系的3倍。即使在仅用对照免疫球蛋白IgG治疗的小鼠中，具有POLEP286R位点突变的肿瘤也比亲代细胞浸润更多的免疫细胞。

具有POLE/POLD1功能突变的小鼠的肿瘤对免疫疗法敏感。

上述结果表明，POLEP286R突变的肿瘤在接受治疗前已进入免疫激活状态，有利于对ICB治疗的应答。

研究人员还在小鼠结肠癌的CT-26细胞上重复了上述实验，得到了相似的实验结果，这表明POLEP286R位点的突变增强了肿瘤对ICB的敏感性，可能与肿瘤类型无关。

接下来，为了阐明POLE功能性突变如何影响肿瘤微环境，研究人员将POLEP286R位点突变的B16F10移植在免疫缺陷的裸鼠及免疫功能正常的C57BL/6J小鼠上。

结果显示，在免疫缺陷的裸鼠上，突变肿瘤与亲本肿瘤生长速度相似，而在免疫功能正常的C57BL/6J小鼠上，突变肿瘤生长速度明显小于亲本肿瘤。

这表明，C57BL/6J小鼠对突变肿瘤有更强的免疫监测功能。

POLE功能性突变增强肿瘤免疫原性

随后，研究人员对接受ICB治疗前后的突变肿瘤及亲本肿瘤进行转录组测序及免疫流式分析，发现POLEP286R突变的肿瘤在接受ICB治疗前及治疗后，均浸润了更多的CD8+T细胞、NK细胞等，且功能激活的CD8+T细胞比例及PD-1+的CD8+T比例增高；而肿瘤相关巨噬细胞中M2型巨噬细胞、骨髓来源的抑制细胞MDSC、免疫抑制调节细胞Treg比例显著下降。

这些结果表明，POLE功能性突变改变了小鼠的适应性及先天性免疫应答，使肿瘤免疫微环境处于激活状态。

那么，POLE功能性突变到底是怎样干预肿瘤免疫微环境的呢？

由于POLEP286R突变细胞系可以在体外培养期间积累单核苷酸变异（SNV），研究人员想通过探索这些突变模式的特点来解答上述问题。

正如预期的那样，尽管亲本和突变细胞系的六种SNV类别特征相似，但POLE突变细胞系可以诱导不同的突变模式，通过统计学分析，研究者们将这些突变特征总结为mSigA、mSigB和mSigC三类。这些结果表明，POLEP286R突变在小鼠肿瘤细胞系中产生的新发SNV类型，与在具有POLE功能突变的患者样本中观察到的相似。

POLE突变细胞系可以诱导不同的突变模式

接下来，基于POLE功能性突变的特征，研究者们试图建立一种Logistic回归模型，以预测肿瘤样本是否存在POLE/POLD1功能突变。

Timothy A. Chan团队使用已知POLE/POLD1功能突变的肿瘤样本和POLE/POLD1野生型的肿瘤样本生成训练集，用来自ICGC和CCLE数据集的样本生成测试集，以评估模型的性能。

然后他们将经过训练的统计模型对TCGA、ICGC和CCLE数据库中的POLE/POLD1未明变异的肿瘤样本进行分析，从而成功鉴定并识别了包含POLE/POLD1功能性突变的潜在样本。

基于突变特征的统计模型可以从WES数据和靶组测序数据中准确识别具有POLE/POLD1功能突变的肿瘤

最后，研究者们进一步分析了TCGA数据库中子宫内膜癌队列的数据集，发现了与小鼠POLEP286R肿瘤具有相同的免疫特征，即携带有POLE/POLD1功能突变的患者肿瘤比不含的患者有更多的免疫细胞浸润。

POLE/POLD1功能突变特征的肿瘤具有更高的免疫活性

为了确定POLE/POLD1功能性突变对接受ICB治疗后结局的独立影响，Timothy A. Chan团队利用他们所构建的模型，分析了一个回顾性泛癌ICB治疗队列的研究数据库。

这个数据库包含2700名微卫星稳定（MSS）和低度微卫星不稳定（MSI-L）的患者，他们发现携带POLE/POLD1功能相关特征的患者对ICB治疗敏感，能够产生持久的临床效益，而且与不携带POLE/POLD1功能性突变的患者相比，无进展生存期更长。

在抗PD-1/PD-L1免疫治疗后，具有POLE/POLD1功能突变特征的患者生存期延长

此外，研究人员还发现，与体细胞超突变、核酸内切酶结构域突变等传统检测方法相比，他们所建立的模型有利于识别能够从免疫治疗中获益的患者，更有益于指导临床用药。

POLE/POLD1功能相关特征评估模型优于其他传统方法

鉴于POLE/POLD1功能相关特征对ICB治疗获益的优秀预测效果，Timothy A. Chan团队进一步探索其潜在的分子机制。

他们发现，携带POLE/POLD1功能性突变的肿瘤样本中的抗原肽，比POLE/POLD1阴性的疏水性更强，且与T细胞受体接触的残基处疏水性也显著提高。这意味着POLE/POLD1功能性突变特征改变了肿瘤新抗原的疏水性，增强了免疫原性。