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新文速遞丨Cell Metab富馬酸與腫瘤
腫瘤微環(huán)境中的代謝改變顯著調(diào)節(jié)免疫敏感性，但其潛在機(jī)制尚不清楚。清華大學(xué)江鵬課題組、武漢科技大學(xué)祝海川課題組和北京大學(xué)張新祥課題組合作，于2023年5月在Cell Metabolism期刊發(fā)表了題為“Cancer-cell-derived fumarate suppresses the anti-tumor capacity of CD8+T cells in the tumor microenvironment”的文章，報(bào)道了腫瘤細(xì)胞富馬酸水合酶（fumarate hydratase，F(xiàn)H）缺失導(dǎo)致富馬酸在腫瘤間質(zhì)液中積累，直接使酪氨酸激酶ZAP70在C96和C102處琥珀酸化，并使其浸潤C(jī)D8+T細(xì)胞的活性喪失，從而抑制CD8+T細(xì)胞的活化和抗腫瘤免疫反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)證明了富馬酸在控制TCR信號傳導(dǎo)中的作用，并表明富馬酸在腫瘤微環(huán)境中的積累是CD8+T細(xì)胞抗腫瘤功能的代謝屏障，富馬酸耗盡可能是腫瘤免疫治療的重要策略。原文鏈接：https://www.cell.com/cell metabolism/fulltext/S1550-4131(23)00171-7。
Highlights
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腫瘤特異性FH缺失抑制浸潤C(jī)D8+T細(xì)胞
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腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的富馬酸抑制CD8+T細(xì)胞活
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ZAP70被富馬酸修飾后抑制CD8+T細(xì)胞活化和抗腫瘤功能
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富馬酸耗盡能增強(qiáng)CAR T細(xì)胞的抗腫瘤功效
研究背景
癌癥的特點(diǎn)是連續(xù)的基因變化導(dǎo)致不受控制的生長和擴(kuò)散。基因組的不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生新抗原，這些抗原可以被捕獲、加工并呈遞給CD8+ T細(xì)胞，導(dǎo)致T細(xì)胞被激活、識別并靶向癌細(xì)胞。ZAP70是一種酪氨酸激酶，在CD8+ T細(xì)胞激活的啟動(dòng)中起關(guān)鍵作用。臨床上，腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞的存在已被證明與患者預(yù)后和生存率的改善有關(guān)，然而，除了新抗原呈遞缺失或?qū)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子不敏感等內(nèi)在因素外，腫瘤還可以通過免疫重編程腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment, TME）來抑制T細(xì)胞浸潤和活化或誘導(dǎo)功能障礙，從而獲得逃避免疫識別的能力。因此，深入了解TME中的免疫重編程可能為抗腫瘤免疫提供新思路。事實(shí)上，已經(jīng)開發(fā)了許多用于治療癌癥的免疫療法，包括免疫檢查點(diǎn)抑制劑阻斷和工程細(xì)胞療法。然而，主要由于微環(huán)境抑制，這些免疫療法往往免疫功能低下，所涉及的分子機(jī)制在很大程度上仍然未知。像癌細(xì)胞一樣，包括T淋巴細(xì)胞在內(nèi)的免疫細(xì)胞依賴于TME中的某些營養(yǎng)物質(zhì)來生存、增殖或激活。例如，活化的T細(xì)胞使用糖酵解來提供能量，一些氨基酸包括谷氨酰胺、精氨酸和天冬酰胺以及脂質(zhì)分子如脂肪酸和甾醇，已被證明對T細(xì)胞的有效活化和/或擴(kuò)增是必不可少的。由于代謝需求和T細(xì)胞功能都與TME密切相關(guān)，因此T細(xì)胞的抗腫瘤功能容易受到TME中營養(yǎng)物質(zhì)變化的影響。盡管代謝需求和變化對T細(xì)胞的影響越來越清楚，但關(guān)于代謝操縱如何幫助腫瘤細(xì)胞逃避T細(xì)胞殺傷的報(bào)道仍然很少。
研究結(jié)果
腫瘤細(xì)胞來源的富馬酸抑制TME中CD8+T細(xì)胞的激活
腫瘤特異性FH的缺失阻斷CD8+ T細(xì)胞中的T細(xì)胞抗原受體信號（T cell antigen receptor，TCR）激活，抑制了腫瘤浸潤性CD8+ T細(xì)胞的功能。研究推測FH缺失的腫瘤細(xì)胞可能在微環(huán)境中積累富馬酸從而抑制TME中CD8+ T細(xì)胞的激活。作者用[U-13C5]谷氨酰胺處理的FH缺失或正常表達(dá)的B16細(xì)胞的條件培養(yǎng)基培養(yǎng)CD8+ T細(xì)胞，進(jìn)行了13C代謝流分析（圖1E）。與對照細(xì)胞相比，來自FH缺失腫瘤細(xì)胞的培養(yǎng)基顯示13C標(biāo)記的富馬酸增加（圖1F），與用FH正常表達(dá)的B16培養(yǎng)基培養(yǎng)的T細(xì)胞相比，用FH缺失的B16培養(yǎng)基培養(yǎng)的T細(xì)胞中，13C標(biāo)記的富馬酸水平明顯更高（圖1G）。相比之下，來自[U-13C5]谷氨酰胺的其他TCA循環(huán)代謝物的水平在這些CD8+ T細(xì)胞中幾乎保持不變（圖1G）。這些結(jié)果表明，F(xiàn)H缺失的腫瘤細(xì)胞微環(huán)境中富馬酸確實(shí)積累了，進(jìn)一步提示腫瘤特異性FH缺失可能通過富馬酸抑制微環(huán)境中的CD8+ T細(xì)胞。為了驗(yàn)證這種可能性，作者評估了TCA循環(huán)中代謝物對CD8+ T細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)添加富馬酸而不是其他TCA循環(huán)代謝物，導(dǎo)致CD8+ T細(xì)胞中CD69、CD25和CD44的表達(dá)減少，富馬酸或富馬酸酯處理以劑量依賴的方式減弱CD8+ T細(xì)胞的活化（圖1H）。
圖1. 腫瘤細(xì)胞來源的富馬酸抑制CD8+T細(xì)胞功能
C96和C102是富馬酸琥珀化位點(diǎn)，決定了ZAP70的活性
接下來作者研究富馬酸抑制T細(xì)胞活化的潛在機(jī)制。富馬酸是一種親電試劑，可與蛋白質(zhì)上的親核半胱氨酸殘基反應(yīng)，通過Michael加成反應(yīng)生成S-(2-琥珀酰)半胱氨酸（2SC）。富馬酸這種獨(dú)特的反應(yīng)性意味著它的積累可能會(huì)使某些參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)或代謝的蛋白質(zhì)發(fā)生琥珀酸化。TCR信號傳導(dǎo)的上游激酶ZAP70顯著富集，可能是琥珀酸化的潛在靶點(diǎn)（圖2A）。這一發(fā)現(xiàn)與腫瘤細(xì)胞中FH的缺失阻礙了CD8+ T細(xì)胞中Y493處ZAP70及其下游效應(yīng)物的磷酸化，而不影響其上游激酶LCK的磷酸化的結(jié)果是一致的（圖1C）。接下來，作者通過2SC印跡、體外激酶測定及點(diǎn)突變驗(yàn)證了富馬酸對ZAP70的琥珀酸化作用，表明C96和C102是富馬酸的琥珀酸化位點(diǎn)，在調(diào)節(jié)ZAP70激酶活性中起主導(dǎo)作用。
圖2. 確定C96和C102(C96/C102)為決定ZAP70活性的富馬酸琥珀酸化位點(diǎn)
富馬酸使ZAP70琥珀酸化，調(diào)節(jié)CD8+ T細(xì)胞TCR信號，抑制CD8+ T細(xì)胞抗腫瘤功能
ZAP70是TCR信號通路中不可缺少的，它的缺乏導(dǎo)致人類和小鼠嚴(yán)重的聯(lián)合免疫缺陷。接下來，作者進(jìn)一步研究了富馬酸積累對ZAP70和TCR信號的影響，表明ZAP70是富馬酸琥珀酸化的直接靶點(diǎn)，從而將腫瘤細(xì)胞中的富馬酸代謝與CD8+ T細(xì)胞中的TCR信號傳導(dǎo)聯(lián)系起來，富馬酸介導(dǎo)的ZAP70琥珀酸化會(huì)阻礙CD8+ T細(xì)胞中的TCR信號傳導(dǎo)。為了評估ZAP70琥珀酸化對TCR信號傳導(dǎo)和T細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)作用，作者培養(yǎng)了Zap70C96C102S/C96C102S (Zap70CS/CS)轉(zhuǎn)基因小鼠。ZAP70CS/CS對富馬酸琥珀酸化具有抗性，但活性降低，表明該突變體可以在功能上減弱富馬酸積累的影響，同時(shí)減少TCR信號傳導(dǎo)和T細(xì)胞反應(yīng)。在Zap70CS/CS小鼠中，ZAP70的C96S/C102S突變可有效阻斷TCR信號通路，減少成熟T細(xì)胞，從而抑制CD8+ T細(xì)胞抗腫瘤能力。細(xì)胞和小鼠實(shí)驗(yàn)均表明富馬酸水平的增加抑制了CD8+ T細(xì)胞的活化和抗腫瘤活性。
FH表達(dá)的增加增強(qiáng)了CAR T細(xì)胞的抗腫瘤作用
CAR T療法已被廣泛證明在B細(xì)胞惡性腫瘤中具有很好的抗腫瘤作用，然而，很少有關(guān)于CAR T細(xì)胞在實(shí)體腫瘤中介導(dǎo)持續(xù)反應(yīng)的報(bào)道。上述發(fā)現(xiàn)FH缺失的腫瘤細(xì)胞在微環(huán)境中通過積累間質(zhì)富馬酸抑制CD8+ T細(xì)胞的激活和抗腫瘤能力，推測T細(xì)胞中富馬酸消耗的增加可能會(huì)增強(qiáng)T細(xì)胞的活性。為了證明這一點(diǎn)，作者首先從4例接受CD19靶向CAR T細(xì)胞治療的急性淋巴細(xì)胞白血病患者的scRNA-seq數(shù)據(jù)中分析了FH表達(dá)與CAR T細(xì)胞功能基因之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)FH的表達(dá)水平與CAR T細(xì)胞的功能基因表達(dá)水平呈強(qiáng)正相關(guān)，支持FH確實(shí)可能影響CAR T細(xì)胞的抗腫瘤活性。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果，來自FH缺失的RAJI細(xì)胞的腫瘤抑制了CAR T細(xì)胞的細(xì)胞溶解活性，降低了小鼠的存活率。
此外，作者還研究了CAR T細(xì)胞富馬酸水平的降低是否會(huì)增強(qiáng)CAR T細(xì)胞的治療效果。FH在抗CD19 CAR T細(xì)胞中的過表達(dá)強(qiáng)烈降低了細(xì)胞富馬酸水平，TCR信號活性和細(xì)胞因子產(chǎn)生相應(yīng)增加，顯著增強(qiáng)了CAR T細(xì)胞的體外細(xì)胞溶解活性和體內(nèi)腫瘤殺傷效果。這些數(shù)據(jù)表明FH是CAR T細(xì)胞療效的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，增加FH表達(dá)可能是增強(qiáng)CAR T細(xì)胞抗腫瘤能力的有力策略。
討論
腫瘤通過產(chǎn)生抑制性TME來逃避免疫識別和破壞，這種TME排斥T細(xì)胞和/或誘導(dǎo)T細(xì)胞功能障礙，但TME中的代謝重編程如何促進(jìn)免疫逃逸仍不清楚。FH突變與腎癌發(fā)生密切相關(guān)。然而，腫瘤細(xì)胞中FH表達(dá)或功能失調(diào)是否影響TME和腫瘤免疫逃逸尚不明確。這項(xiàng)工作表明腫瘤FH表達(dá)的缺失導(dǎo)致間質(zhì)液富馬酸的積累，并抑制浸潤性CD8+ T細(xì)胞的活化和效應(yīng)功能。此外，各種體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)表明，激酶ZAP70是富馬酸的天然傳感器，并提示ZAP70在感知代謝和微環(huán)境變化方面可能具有新的功能并可能為了解ZAP70的生物學(xué)功能提供新的視角。
在腫瘤免疫治療過程中，功能性CD8+ T細(xì)胞浸潤與較好的預(yù)后相關(guān)。然而，CAR T療法和檢查點(diǎn)阻斷療法僅對一小部分患者有效。CAR T細(xì)胞的大部分免疫功能不全是由TME的抑制引起的。然而，涉及的分子調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。本研究發(fā)現(xiàn)，富馬酸的積累大大降低了CD8+ T細(xì)胞和CAR T細(xì)胞的抗癌能力，這表明TME中富馬酸的積累可能導(dǎo)致CAR T治療的無反應(yīng)性。更重要的是，由于富馬酸一方面支持腫瘤細(xì)胞增殖，另一方面抑制浸潤性T細(xì)胞的激活，通過增加FH表達(dá)消耗富馬酸可能是一種非常有吸引力的腫瘤治療策略。
研究的局限性
FH與腎囊腫和某些類型腎細(xì)胞癌的發(fā)展有關(guān)。然而，關(guān)于FH在其他類型癌癥中作用的報(bào)道非常有限。本研究的部分實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂昧四[瘤免疫學(xué)研究中廣泛使用的小鼠B16黑色素瘤細(xì)胞系來闡明富馬酸在小鼠腫瘤中的作用。在人類相關(guān)性方面，雖然作者根據(jù)已發(fā)表的單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)FH表達(dá)與幾種人類癌癥的預(yù)后相關(guān)，但在黑色素瘤患者中相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道較少，需要更多的臨床數(shù)據(jù)和研究。此外，由于FH在不同組織中的作用可能不同，因此針對FH或富馬酸的腫瘤治療或免疫治療在臨床環(huán)境中需要格外謹(jǐn)慎。
延伸閱讀：腫瘤微環(huán)境與TCA代謝產(chǎn)物
乳酸：賓夕法尼亞大學(xué)M. Celeste Simon團(tuán)隊(duì)2020年6月在Developmental Cell上發(fā)表了題為“Cancer Cells Don’t Live Alone: Metabolic Communication within Tumor Microenvironments”的綜述（DOI: 10.1016/j.devcel.2020.06.018），概述了原發(fā)和轉(zhuǎn)移性TME中腫瘤細(xì)胞和不同間質(zhì)成分之間代謝通信的最新進(jìn)展。在非小細(xì)胞肺癌中，曾被認(rèn)為是代謝廢物的乳酸比葡萄糖更適合作為TCA循環(huán)的底物。在這種情況下，乳酸和葡萄糖是并行利用的，因?yàn)槿樗峥梢酝ㄟ^線粒體LDH活性直接進(jìn)入TCA循環(huán)。通過LDHA的乳酸代謝也可能影響胞質(zhì)氧化還原狀態(tài)，并將葡萄糖重定向到戊糖磷酸途徑和己糖胺的生物合成。乳酸作為一種信號分子，可能會(huì)改變細(xì)胞內(nèi)的信號通路和/或基因表達(dá)，從而影響葡萄糖的攝取和分解代謝。腫瘤腔內(nèi)的癌細(xì)胞相互協(xié)作，形成代謝“共生”，乳酸穿梭是一個(gè)例子，在缺氧區(qū)域的癌細(xì)胞通過厭氧糖酵解消耗葡萄糖并釋放乳酸，然后乳酸被鄰近富氧腫瘤區(qū)域的癌細(xì)胞用作TCA循環(huán)的底物。抗血管生成治療引起的急性缺氧促使胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌和乳腺癌細(xì)胞產(chǎn)生過量乳酸，然后被血管附近的癌細(xì)胞利用。類似的代謝“共生”在肺癌和結(jié)腸癌中也存在。乳酸穿梭可能是單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCTs）差異表達(dá)的結(jié)果：缺氧的癌細(xì)胞表達(dá)高水平的MCT4，作為乳酸主要的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，而富氧區(qū)域的癌細(xì)胞表達(dá)MCT1作為乳酸輸入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。目前尚不清楚低氧區(qū)域腫瘤來源的乳酸在多大程度上對氧化代謝有貢獻(xiàn)，因?yàn)檠鯕獬渥愕陌┘?xì)胞可以很容易地代謝葡萄糖和包括乳酸在內(nèi)的其他循環(huán)營養(yǎng)物質(zhì)。
丙酮酸和琥珀酸：哈佛醫(yī)學(xué)院的Marcia C. Haigis課題組和Arlene H. Sharpe課題組于2022年8月在Cell Metabolism雜志上發(fā)表了題為“Tumor cells dictate anti-tumor immune responses by altering pyruvate utilization and succinate signaling in CD8+ T cells”的文章（DOI: 10.1016/j.cmet.2022.06.008），發(fā)現(xiàn)腫瘤來源的乳酸改變了T細(xì)胞的代謝，導(dǎo)致CD8+T細(xì)胞中丙酮酸羧化酶（PC）活性降低，抑制了T細(xì)胞的細(xì)胞毒性。乳酸也改變了丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)的途徑，從PC重定向到丙酮酸脫氫酶（PDH）。PDH的抑制增加了PC活性和琥珀酸分泌，從而激活琥珀酸分泌和琥珀酸受體1（SUCNR1），增強(qiáng)T細(xì)胞的抗腫瘤細(xì)胞作用。
草酰乙酸、琥珀酸、富馬酸和2-羥基戊二酸：美國西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院Navdeep S. Chandel團(tuán)隊(duì)2021年10月于Nature Reviews Cancer上發(fā)表了題為“Cancer metabolism: looking forward”的綜述（DOI: 10.1038/s41568-021-00378-6），概述了腫瘤代謝領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。在過去十年，TCA循環(huán)再次成為支持腫瘤生長的關(guān)鍵合成代謝中心。丙酮酸羧化酶（PC）催化丙酮酸產(chǎn)生TCA循環(huán)代謝物草酰乙酸，已被證明是原發(fā)和轉(zhuǎn)移性腫瘤生長所必需的。此外，從草酰乙酸生成的天冬氨酸及其衍生物天冬酰胺都可以限制腫瘤的生長。在特定的腫瘤中，編碼琥珀酸脫氫酶（SDH）、富馬酸水合酶（FH）以及異檸檬酸脫氫酶1或2（IDH1或IDH2）的基因發(fā)生功能缺失突變，會(huì)造成腫瘤中代謝產(chǎn)物琥珀酸、富馬酸和2-羥基戊二酸（2HG）的濃度增加，這些代謝物是導(dǎo)致不同癌癥的誘因，因此被稱為“腫瘤代謝物”。這三種腫瘤代謝物中任何一種的積累已被證明有助于惡性腫瘤的發(fā)展，但僅限于某些組織。原因是這些代謝物與α-酮戊二酸（α-KG）結(jié)構(gòu)相似從而競爭性抑制α-KG依賴的雙加氧酶（α-KGDDs）包括組蛋白去甲基酶、RNA去甲基酶等從而調(diào)節(jié)表觀遺傳修飾，影響基因表達(dá)。
