文獻(xiàn)解讀│Cell重磅癌癥免疫療法新靶點(diǎn)——IL4I1
日期：2020-09-25 11:44:00
研究背景及目的
AHR也被稱(chēng)為二惡英受體，能介導(dǎo)二惡英的毒性作用。人體自身的代謝產(chǎn)物也能激活這一受體，由吲哚胺-2,3雙加氧酶1/2（IDO1/2）或色氨酸-2,3-雙氧合酶（TDO2）驅(qū)動(dòng)的犬尿氨酸（Kyn）途徑被認(rèn)為是人體內(nèi)主要的色氨酸（Trp）分解代謝途徑，產(chǎn)生AHR激動(dòng)劑Kyn和犬尿喹啉酸（KynA）。IDO1抑制劑聯(lián)合抗PD1單抗的免疫療法III期臨床試驗(yàn)失敗，說(shuō)明體內(nèi)還存在其它的Trp代謝酶（IDO1和TDO2除外）激活A(yù)HR。研究人員開(kāi)發(fā)了一種AHR泛組織信號(hào)，用于全面了解各種腫瘤類(lèi)型中AHR的活性及其上游的調(diào)控分子。
結(jié)論
Trp代謝酶IL4I1生成的吲哚代謝物和KynA能激活A(yù)HR。IL4I1與膠質(zhì)瘤患者存活率降低相關(guān)、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移、抑制獲得性免疫應(yīng)答、促進(jìn)小鼠模型中慢性淋巴細(xì)胞白血?。–LL）惡化。免疫檢查點(diǎn)阻斷（ICB）誘導(dǎo)IDO1和IL4I1的表達(dá)。IL4I1可能是IDO1抑制劑聯(lián)合ICB臨床試驗(yàn)失敗的原因。因而，IL4I1阻斷劑為癌癥治療開(kāi)辟了新途徑。
結(jié)果
1.AHR泛組織信號(hào)適用于檢測(cè)不同組織類(lèi)型中AHR響應(yīng)各種配體的活性，IL4I1與AHR活性的關(guān)聯(lián)較IDO1或TDO2更為頻繁。
研究者采取基因表達(dá)分析和自然語(yǔ)言處理（NLP）相結(jié)合的方法開(kāi)發(fā)了一套AHR泛組織信號(hào)。一方面，研究者匯總了多個(gè)細(xì)胞類(lèi)型經(jīng)AHR激動(dòng)劑或抑制劑處理后所產(chǎn)生的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，還囊括了具有AHR啟動(dòng)子結(jié)合位點(diǎn)的基因數(shù)據(jù)。另一方面，研究者用NLP法提取了醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中與AHR調(diào)控有關(guān)聯(lián)的基因名。這兩組數(shù)據(jù)的交集，也就是166個(gè)受AHR調(diào)控的基因，被看作是AHR泛組織信號(hào)。GO富集分析表明這些基因代表了由AHR調(diào)節(jié)的主要細(xì)胞功能，包括藥物代謝、遷移和免疫調(diào)節(jié)。在不同細(xì)胞類(lèi)型和不同配體組合的數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證AHR信號(hào)的可靠性，利用qRT-PCR檢測(cè)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）U-87MG細(xì)胞中AHR激活/敲低狀態(tài)下部分信號(hào)基因的表達(dá)，結(jié)果表明在不同細(xì)胞類(lèi)型中AHR信號(hào)均能檢測(cè)到AHR響應(yīng)各種配體的活性。
根據(jù)IDO1或TDO2的表達(dá)水平將32種TCGA腫瘤類(lèi)型分為高表達(dá)和低表達(dá)組，多數(shù)腫瘤類(lèi)型中，任一酶高表達(dá)組的AHR信號(hào)也得到增強(qiáng)。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）32個(gè)TCGA腫瘤類(lèi)型中IDO1或TDO2的表達(dá)與AHR活性的相關(guān)性，23個(gè)腫瘤類(lèi)型中IDO1和TDO2被分組到與AHR活性正相關(guān)的基因模塊（AAM），9種癌癥類(lèi)型的AAM中沒(méi)有IDO1和TDO2，說(shuō)明有其它酶激活A(yù)HR。因此，研究者WGCNA分析了32個(gè)癌癥類(lèi)型中所有色氨酸（Trp）降解酶（TCE）與AHR的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上L-氨基酸氧化酶IL4I1在AAM中出現(xiàn)頻率最高，高于其它TCE。
2.IL4I1可激活A(yù)HR、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移、抑制T細(xì)胞增殖、并與膠質(zhì)瘤患者存活率降低相關(guān)。
研究者研究了低內(nèi)源IL4I1 GBM細(xì)胞（AHR正常型U-87MG和AHR缺陷型U-251MG）中過(guò)表達(dá)IL4I1和高內(nèi)源IL4I1 GBM細(xì)胞中敲低IL4I1對(duì)AHR活性的影響。發(fā)現(xiàn)U-87MG中過(guò)表達(dá)IL4I1誘導(dǎo)增強(qiáng)了AHR信號(hào)，這一現(xiàn)象可被AHR敲低所逆轉(zhuǎn)。此外，IL4I1衍生的代謝物也能激活A(yù)HR，增強(qiáng)其核轉(zhuǎn)移并啟動(dòng)靶基因轉(zhuǎn)錄。相反，IL4I1下調(diào)使AHR信號(hào)減弱。下調(diào)AHR后IL4I1的表達(dá)被抑制，說(shuō)明IL4I1本身是AHR靶基因。CAS-1細(xì)胞中沉默IL4I1基因能下調(diào)AHR靶基因TIPARP的表達(dá)，而沉默TDO2對(duì)TIPARP無(wú)明顯影響，說(shuō)明IL4I1直接對(duì)AHR進(jìn)行調(diào)控，與TDO2無(wú)關(guān)，且IL4I1在這些細(xì)胞中是更有效的AHR激活酶。
過(guò)表達(dá)IL4I1增強(qiáng)U-87MG遷移能力，其可被AHR抑制子SR1逆轉(zhuǎn)。過(guò)表達(dá)IL4I1對(duì)AHR缺陷型細(xì)胞遷移能力無(wú)影響。與對(duì)照組相比，過(guò)表達(dá)IL4I1細(xì)胞的上清液可抑制外周血單核細(xì)胞（PBMC）T細(xì)胞和CD8+ T細(xì)胞的增殖，同時(shí)誘導(dǎo)CD8+ T細(xì)胞中AHR靶基因TIPARP和CYP1B1的表達(dá)。生存率分析表明高水平的IL4I1與GBM和低分型膠質(zhì)瘤（LGG）患者總體生存率降低顯著相關(guān)。與IL4I1低表達(dá)組相比，IL4I1高表達(dá)的GBM和LGG患者均表現(xiàn)出升高的AHR活性，證實(shí)IL4I1與神經(jīng)膠質(zhì)瘤中AHR活性和患者生存期密切聯(lián)系。
3.吲哚-3-丙酮酸（I3P）是介導(dǎo)IL4I1驅(qū)動(dòng)的AHR活化和腫瘤惡化的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物。
在體內(nèi)代謝過(guò)程中，IL4I1催化苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和Trp分別轉(zhuǎn)化為PP、HPP和I3P。分別將這些代謝產(chǎn)物處理AHR正常型細(xì)胞，PP和HPP不誘導(dǎo)AHR靶基因的表達(dá)，但I(xiàn)3P AHR依賴(lài)性地上調(diào)AHR靶基因。與之相符，I3P能誘導(dǎo)AHR核轉(zhuǎn)移并增強(qiáng)外源反應(yīng)元件（XRE）驅(qū)動(dòng)的螢光素酶活性，而PP或HPP不能。接下來(lái)，研究者比較了激動(dòng)劑I3P、Kyn和KynA激活A(yù)HR的能力。相較于Kyn或KynA，I3P能以較低濃度誘導(dǎo)XRE驅(qū)動(dòng)的螢光素酶活性并上調(diào)TIPARP。大多數(shù)I3P調(diào)節(jié)的途徑都是AHR依賴(lài)性的，I3P AHR依賴(lài)性地增強(qiáng)GBM細(xì)胞的遷移能力。CD8+ T細(xì)胞中I3P也能激活A(yù)HR并抑制T細(xì)胞增殖。因此，I3P是一種新的介導(dǎo)IL4I1和AHR驅(qū)動(dòng)的腫瘤惡化的代謝物。
4.I3P提高AHR激動(dòng)劑KynA和吲哚-3-乙醛（I3A）的水平。
在過(guò)表達(dá)IL4I1細(xì)胞的上清液中，研究者未檢測(cè)到I3P，但檢測(cè)到I3P的衍生物吲哚乙酸（IAA）、I3A、吲哚-3-乳酸（ILA）顯著上調(diào)。經(jīng)典理論認(rèn)為KynA是由IDO1或TDO2代謝的Kyn衍生而來(lái)，而該研究發(fā)現(xiàn)IL4I1過(guò)表達(dá)能提高細(xì)胞中KynA水平，但對(duì)Kyn無(wú)影響。IL4I1對(duì)KynA的調(diào)節(jié)作用在小鼠脾臟組織中得到進(jìn)一步證實(shí)。與野生型（WT）小鼠相比，Il4i1敲除小鼠的KynA水平顯著降低。用I3P處理GBM細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞中IAA、I3A和KynA水平呈劑量依賴(lài)性增加，證實(shí)這些代謝物均源自I3P。I3P轉(zhuǎn)化成KynA的一種可能路徑是Kyn的氨基轉(zhuǎn)移。泛氨基轉(zhuǎn)移酶抑制劑能完全消除對(duì)照組中KynA的形成，但僅使過(guò)表達(dá)IL4I1細(xì)胞的KynA水平降低了約70％，說(shuō)明被消減的這部分KynA來(lái)源于Kyn的氨基轉(zhuǎn)移，而剩下的約30%KynA可能來(lái)源于I3P，因?yàn)樵跓o(wú)細(xì)胞條件下I3P能自發(fā)地形成KynA。IL4I1衍生物H2O2能促進(jìn)I3P向KynA的轉(zhuǎn)化。I3P衍生物I3A能誘導(dǎo)TIPARP并上調(diào)AHR泛組織信號(hào)。以上結(jié)果表明，IL4I1通過(guò)I3P的產(chǎn)物KynA和I3A激活A(yù)HR。
5.IL4I1表達(dá)在原發(fā)癌癥和轉(zhuǎn)移性腫瘤中增強(qiáng)。
大多數(shù)腫瘤類(lèi)型中，與健康組織相比，原發(fā)癌組織的IL4I1表達(dá)增強(qiáng)，彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤中的IL4I1表達(dá)尤甚。此外，多數(shù)癌癥類(lèi)型中IL4I1表達(dá)高于IDO1或TDO2，突顯IL4I1是癌癥的主要TCE。過(guò)表達(dá)IL4I1的細(xì)胞中，AHR靶基因的表達(dá)并未受到低氧環(huán)境的影響，說(shuō)明IL4I1在低氧腫瘤微環(huán)境（TME）中也可以激活A(yù)HR。與原發(fā)性黑色素瘤相比，轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的IL4I1水平和AHR活性更高。與此一致地是，新鮮切除的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤組織中能檢測(cè)到IL4I1酶活性。盡管IL4I1增強(qiáng)細(xì)胞遷移能力并在轉(zhuǎn)移性腫瘤中富集，GO富集分析表明，含有IL4I1的AAM富集的功能中，遷移只是第三富集的功能，免疫調(diào)節(jié)作用是首要富集的功能，這與IL4I1抑制T細(xì)胞增殖的行為一致，說(shuō)明IL4I1在癌癥中的免疫調(diào)節(jié)功能更為顯著。
6.IL4I1是代謝性免疫檢查點(diǎn)，因而促進(jìn)CLL惡化。
高表達(dá)IL4I1的腫瘤中免疫抑制性細(xì)胞富集，比如髓源抑制性細(xì)胞（MDSC）和Treg細(xì)胞。多組學(xué)因子分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，含有IL4I1的模塊與MDSC和Tregs密切相關(guān)。CLL是一種表達(dá)IL4I1的B細(xì)胞淋巴瘤，CLL復(fù)發(fā)的患者中，IL4I1表達(dá)與AHR活性相關(guān)，說(shuō)明侵襲性CLL可用于IL4I1的研究。研究者研究了侵襲性CLL小鼠模型（TCL1 AT）中，IL4I1對(duì)腫瘤發(fā)展和抗腫瘤免疫應(yīng)答的影響。與無(wú)腫瘤對(duì)照相比，Il4i1是疾病小鼠的腫瘤應(yīng)援單核細(xì)胞中上調(diào)程度最高的基因之一，且其表達(dá)隨著AHR活性的增強(qiáng)而增加。血清中IL4I1水平在疾病小鼠中也升高。與野生型疾病小鼠相比，Il4i1缺陷型疾病小鼠在外周血、脾臟和腹股溝淋巴結(jié)中的腫瘤負(fù)荷降低，并且脾臟重量下降，表明IL4I1在腫瘤免疫逃逸中的作用。研究者進(jìn)一步觀察了疾病小鼠中的TME，發(fā)現(xiàn)Il4i1缺陷型小鼠中有更高比例的經(jīng)典樹(shù)突狀細(xì)胞（cDC），說(shuō)明Il4i1缺陷型小鼠有更強(qiáng)的抗原呈遞能力。
擴(kuò)增的CD8+效應(yīng)T細(xì)胞（Teff）控制TCL1 AT小鼠的腫瘤發(fā)展，但逐漸喪失效應(yīng)功能并顯示出T細(xì)胞耗竭的表型。IL4I1缺陷減輕了TCL1 AT小鼠Teff的耗竭，表現(xiàn)為KLRG1（活化的Teff的標(biāo)志物）高表達(dá)、與免疫疲勞相關(guān)的免疫調(diào)節(jié)受體低表達(dá)、更高比率的PD1中等表達(dá)程度的CD8+ T細(xì)胞。對(duì)來(lái)源于野生型和Il4i1缺陷型疾病小鼠的Teff和CD8+記憶T細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，證實(shí)Il4i1缺陷型中與免疫疲勞相關(guān)的免疫調(diào)節(jié)受體和Ahr基因下調(diào)，Teff基因上調(diào)。基因集富集分析（GSEA）顯示，相較于慢性淋巴細(xì)胞性脈絡(luò)膜腦膜炎病毒（LCMV）感染的Teff，急性LCMV感染的Teff的富集結(jié)果與Il4i1缺陷型Teff的富集結(jié)果類(lèi)似。干擾素應(yīng)答是Il41i1缺陷型Teff中基因富集最多的功能之一。以上數(shù)據(jù)表明，TME中IL4I1缺陷可改善CD8+ T細(xì)胞功能。Il4i1缺陷型中Treg細(xì)胞、KLRG1+CD103+ Treg細(xì)胞和CTLA4+ Treg細(xì)胞的比例均下降。綜上，在Il4i1缺陷型TME中，腫瘤相關(guān)T細(xì)胞所表現(xiàn)出來(lái)的特性說(shuō)明IL4I1是一個(gè)抑制獲得性免疫應(yīng)答的代謝性免疫檢查點(diǎn)。
7.免疫檢查點(diǎn)阻斷誘導(dǎo)IL4I1表達(dá)。
抗PD1的單抗nivolumab能誘導(dǎo)晚期黑素瘤中IL4I1和IDO1的表達(dá)，并激活A(yù)HR。轉(zhuǎn)錄組分析41位患者nivolumab治療前后的樣本數(shù)據(jù)（有24位患者在nivolumab給藥前接受過(guò)抗CTLA4單抗ipilimumab的治療），未經(jīng)ipilimumab治療的患者中nivolumab治療使IL4I1顯著增加。進(jìn)一步觀察這些未經(jīng)ipilimumab治療的患者中nivolumab給藥后腫瘤的狀態(tài)，腫瘤惡化的患者中IL4I1和免疫檢查點(diǎn)分子水平顯著升高，暗示IL4I1誘導(dǎo)代表了一種抗ICB的耐藥機(jī)制。IDO1抑制劑BMS-986205、依帕卡司他、EOS200271和NLG919在其體內(nèi)濃度下均不能抑制IL4I1的酶促活性。以上結(jié)果表明，ICB治療中IL4I1可介導(dǎo)IDO1抑制劑抗性。
