Epigenetics and immunotherapy: T

url： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0161589017301116?via%3Dihub
JenniferDunn, SudhaRa,et al. Molecular Immunology, Volume 87, July 2017, Pages 227-239

Abstract

免疫检查点阻断

基于肿瘤微环境中免疫和癌细胞之间发生的基本配体 - 受体相互作用
由癌细胞表达的不同配体与免疫细胞上的细胞表面受体结合，触发使免疫细胞免疫耐受的抑制途径（例如PD-1 / PD-L1）（使免疫细胞不能发挥作用）。
表观遗传调节剂在增强肿瘤微环境和恢复免疫识别和免疫原性方面有关键作用

表观遗传学

DNA甲基转移酶和组蛋白去乙酰化酶 抑制剂 可逆转免疫抑制，机制如下：

1. enhancing expression of tumour-associated antigens, 增强肿瘤相关抗原的表达
2. components of the antigen processing and presenting machinery pathways, 抗原加工和呈递机制通路成分
3. immune checkpoint inhibitors, 免疫检查点抑制剂
4. chemokines 趋化因子, and other immune-related genes.

免疫与表观遗传学

表观遗传免疫调节在肿瘤免疫逃逸的重要性，如通过激活病毒防御途径（activation of the viral defence pathway）等机制引发宿主免疫系统对免疫疗法的敏感。

Contents

联用可行性

关键T细胞表面受体程序性细胞死亡1（PD-1）与癌细胞上的共抑制受体程序性死亡配体1（PD-L1）或程序​​性死亡配体2（PD-L2）的结合抑制T细胞增殖及细胞因子产生，并最终导致T细胞功能障碍或凋亡。在正常条件下，这些免疫检查点可以缓和或微调宿主对病原体的免疫反应。然而，在癌症的情况下，免疫检查点可能被失调或被劫持作为免疫抗性的机制。
因此，重新激活肿瘤的免疫反应及消除免疫抑制成为研究热点。同时，表观遗传药物能够调节免疫通路回复肿瘤细胞的免疫识别和免疫原性。一些临床及在体实验也表明联用表观遗传药物及免疫疗法提高了疗效，如获得性细胞免疫疗法，基于细胞因子（cytokine）的疗法，疫苗和免疫检查点抑制剂。

表观遗传疗法

包括DNA甲基化及转录后组氨酸修饰，实现不改变DNA序列的情况下通过改变基因表达及染色质结构得到可遗传的DNA修饰。
染色质主要以两种可互换的状态存在：封闭（异染色质）或开放（常染色质），其由不同活性和抑制性受表观遗传标记（DNA甲基化和组氨酸修饰）的平衡调节。异染色质结构可以阻止转录激活因子如RNA聚合酶和DNA结合转录因子对靶基因的获取和，并且这种状态通常与转录沉默相关。相反，转录机制可以获得开放的染色质状态并促进转录。

异染色质与常染色质的转录差异.png (left: 红点-DNA甲基化； TF:转录因子)

染色质重塑通过许多机制调节基因的转录状态：
（1）组蛋白的翻译后修饰; 最丰富的组蛋白修饰是乙酰化，甲基化，磷酸化和泛素化。组蛋白的氨基端修饰也能调控染色质状态及转录。
赖氨酸残基的组蛋白乙酰化（例如，H3K9，H3K14，H4K5和H4K16的乙酰化）主要与开放染色质状态和活性基因转录相关。
组蛋白甲基化更复杂并且取决于甲基化程度（例如，单甲基化，二甲基化或三甲基化）导致不同的染色质和转录状态。例如，H3K9，H3K27和H3K79组蛋白的单甲基化与常染色质（活性转录）相关，而这些组蛋白的三甲基化导致异染色质构象和转录抑制。
（2）DNA甲基化; 主要发生在CpG双核苷酸富集区域（CpG岛）的胞嘧啶残基，与关闭异染色质状态及转录抑制/沉默有关。
（3）ATP依赖性染色质重塑复合物;
（4）组蛋白变异交换;
（5）非编码RNA（如miRNA）的作用。
DNA及组蛋白的表观遗传修饰能够动态决定染色质的状态实现基因转录调控。
3D 核结构也影响基因的转录调控。染色质在空间上组织成更高级的结构，最终在细胞核内表现出非随机的3D组织。细胞核是一种极其动态的结构，其中许多组分快速且瞬时地相互作用，并且这些动态相互作用对基因表达的调节具有功能性后果。核结构的组织被认为通过亚核基因定位和染色体内/染色体间相互作用控制调节DNA元件对转录因子和RNA聚合酶的可及性来介导基因转录。此外，染色体不稳定性和破坏的核形态通常与癌细胞中离散核区域的DNA低甲基化相关。

目前的表观遗传学疗法主要针对表观遗传调节因子的两个功能类别：针对“作者”的那些，建立表观遗传标记的酶；以及针对“橡皮擦”的那些，即去除表观遗传标记的酶。DNA甲基转移酶抑制剂（DNMTi; writer）和组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACis; eraser）是主要的表观遗传治疗药物类别。
DNMTi通过直接其纳入DNA并捕获DNMT进行蛋白酶体降解抑制DNMT的作用，并重新激活基因转录。DNMT的缺失可能导致子代细胞的DNA低甲基化。

肿瘤免疫逃避

• Loss of tumour-associated antigens (TAAs), antigen processing and presentation machinery (APM), and co-stimulatory molecules 肿瘤相关抗原TAA，抗原加工及呈递机制APM及共刺激分子的缺失
  TAA及APM祖坟的表达降低与肿瘤转移相关。共刺激因子细胞间粘附因子1 ICAM-1的表达减少与口腔鳞状细胞癌及结直肠癌的癌症进展相关。

  • 先天免疫：
    • 自然杀伤NK细胞表面的NKG2D（NK Group 2D）能识别表达MICA，MICB或ULB16结合蛋白的细胞。NK细胞表达配体（例如，FAS配体[FASL]，TRAIL）在靶细胞上能接合死亡受体（例如，FAS，TNF相关细胞凋亡诱导配体[TRAIL]受体）来实现靶细胞的NK细胞杀伤。 ）和/或细胞毒性颗粒如颗粒酶和穿孔素的释放。
    • 树突细胞DC及巨噬细胞：作为抗原呈递细胞，能激活抗原特异性后天免疫系统。
      TME中存在的肿瘤和基质衍生因子（如生长因子和免疫抑制细胞因子）可破坏巨噬细胞的抗肿瘤功能，并重新培养它们成为具有M2免疫抑制表型的肿瘤相关巨噬细胞（TAM）。M2或修复型细胞通过产生生长因子（例如EGF，FGF-2），血管生成因子（例如VEGF，MMP-9）和炎性细胞因子（例如TNF-α，）来促进肿瘤的发生，进展和转移。

• 免疫检查点 免疫检查点封锁
  PD1与肿瘤细胞上的PDL1/PDL2结合后，能够在免疫受体酪氨酸抑制motif的作用下抑制下游的磷酸肌醇3-激酶PI3K和Akt信号传导。而CTLA-4受体的参与抑制PI3K非依赖性Akt信号传导。
  PD-1 / PD-L1相互作用通过募集SHP-2酶使TCR下游的蛋白质去磷酸化。
  这两种途径都阻断了TCR （T细胞受体）反应。

检查点抑制剂药物 (黑色素瘤对此类药物尤其敏感)：

• 抗细胞毒性T淋巴细胞抗原4 CTLA-4
  ipilimumab 百时美施贵宝的Yervoy易普利姆玛ipulimuma治疗黑色素瘤
  未上市 - tremelimumab 原由辉瑞，后由阿斯利康全资子公司MedImmune开发的替西利姆单抗治疗黑色素瘤，恶性间皮瘤和NSCLC
• PD-1
  nivolumab 百时美施贵宝的Opdivio纳武单抗治疗黑色素瘤，转移性NSCLC, 进展性肾细胞癌，霍奇金淋巴瘤
  pembrolizumab 默沙东的Keytruda帕博利珠单抗治疗黑色素瘤，转移性NSCLC，复发性转移头颈部鳞状细胞癌
• PDL1
  atezolizumab 基因泰克/Roche的Tecentriq阿特朱单抗治疗尿路上皮癌

免疫抑制点药物.png

• TME（肿瘤微环境）中的其他免疫抑制细胞
  肿瘤微环境中的免疫反应会被肿瘤浸润性白细胞，包括Tregs，M2巨噬细胞，髓样抑制细胞（MDSCs），癌相关成纤维细胞（CAFs）和癌症干细胞等抑制。抑制机制包括抑制性细胞因子（如IL-10，TGFβ）的分泌，共抑制受体的细胞表面表达（免疫检查点）和氨基酸消耗酶的释放（例如，精氨酸酶和IDO）。
  癌细胞还能诱导正常成纤维细胞的表观遗传学转化成癌症相关的成纤维细胞CAFs。CAFs已被证明通过表观遗传机制促进肿瘤生长和进展，例如诱导乳腺癌细胞的上皮 - 间质转化和癌症干细胞表型。

TME的表观遗传免疫调节引发免疫系统免疫疗法

• 调控肿瘤上皮细胞
  表观遗传药物DMNTis and HDACis能上调免疫信号组分的表达已经被证明。表观遗传药物能上调TAAs的表达，尤其是APM相关组分的表达，共刺激分子的表面表达，应激诱导的配体和死亡诱导受体，以及检查点配体在肿瘤细胞上的表达。
  a. 表观遗传药物通过上调TAAs恢复或提高肿瘤细胞识别
  CTAs 癌症睾丸抗原
  DMNTi可通过去甲基化作用提高癌细胞中CTA（癌症睾丸抗原）的表达。HDACis也能上调CTAs表达，但效果不如DMNTi。二者联合用药仅在一定细胞中提高了CTAs的表达。双表观遗传疗法不一定导致恶性细胞的识别和裂解增加。
  HMW-MAAs 高分子量黑色素瘤相关抗原
  DNMTi 5-AZA-CdR（地西他滨）能够使HMW-MAAs去甲基化，使mRNA和蛋白水平上重新表达高分子量黑色素瘤相关抗原。HDACis却并不能上调所有TAAs。
  b. 表观遗传药物提高APM成分在肿瘤部位的表达
  DNMTis和HDAC均诱导或增强许多APM途径组分的表达，包括MHC分子，TAP-1，TAP-2，LMP2，LMP7和tapasin在广泛的肿瘤类型中的表达.
  c. 表观遗传药物提高肿瘤细胞上几种共刺激分子的表面表达
  共刺激分子（例如CD40，CD80，CD86和ICAM-1）
  d. 表观遗传药物增强死亡受体的表达和应激诱导的配体
  c, d这些免疫调节事件增加了它们对免疫介导的细胞裂解的敏感性
  e. 表观遗传药物上调肿瘤细胞的免疫检查点
  通过上调肿瘤细胞和TIL(肿瘤浸润淋巴细胞)上的免疫检查点CTLA-4，PD-1，PD-L1和PD-L2使癌细胞对免疫检查点治疗敏感。

• 获得性及先天宿主免疫细胞 - 调控宿主免疫细胞
  近期发现，肿瘤免疫逃逸是通过对趋化因子的表观遗传抑制，趋化因子对TME的免疫细胞浸润非常重要。趋化因子的抑制消除了T细胞运输，保护肿瘤细胞免受免疫反应清除。
  在卵巢癌中，肿瘤产生的T辅助细胞1（Th1）型趋化因子CXCL9和CXCL10被zeste同源物2（EZH2）增强子介导的组蛋白H3赖氨酸27三甲基化（H3K27me3）和DNA甲基转移酶1（DNMT1）介导的DNA甲基化。
  使用DNMTi的表观遗传调节能够诱导趋化因子表达和Th1肿瘤浸润。
  此外，HDACi还被证明可增强肺癌中T细胞趋化因子的表达和TME浸润.
  先天免疫系统能够利用表观遗传药物实现肿瘤细胞识别和免疫介导的细胞裂解。HDACi治疗能通过增加基因启动子上H3乙酰化的结合增加NK细胞表面活化NKG2D的表达。
  此外，还能通过上调恶性实体肿瘤细胞中的应激诱导细胞配体MICA, MICB 及 ULBP1-3来增强NK细胞杀伤肿瘤细胞的能力。
  HDACi (+/-DNMTi) 也能通过死亡诱导受体FAS及TRAIL-R2的表达提高NK细胞杀伤力。
  此外，表观遗传药物还有其他的作用机制：MDSC抑制。MDSCs的作用机制除了诱导凋亡外，部分细胞分化为DCs细胞也起到作用。HDAC11是MDSC扩增及功能的负调节因子，并可以使用HDACis靶向。除DNA甲基化及组蛋白乙酰化外，一些miRNA及siRNA经重塑后也能靶向MDSCs并清除肿瘤细胞。MDSC向M型分化的表观遗传重编程也可能有利于肿瘤消除，因为它们更具体地抑制T细胞应答。
  重要的是要强调宿主免疫细胞，特别是T细胞中染色质和mRNA水平的表观遗传变化已经被显著忽略，并且需要进一步研究以确定表观遗传药物在这些细胞中的作用机制。

• 病毒模仿增强肿瘤细胞对免疫系统的可见性
  DNA去甲基化药物能够通过激活源自内源性逆转录病毒序列（ERV）的dsRNAs诱导免疫信号传导。

表观遗传和免疫疗法结合战略性地对抗癌症

氮杂胞苷和恩替司他（HDACi选择性I类HDACs）的双药联用表观遗传治疗未能明显治疗晚期肺癌。之后少数接受低剂量表观遗传治疗后进展的晚期NSCLC患者进入了使用抗PD-1检查点抑制剂nivolumab免疫检查点治疗的试验，6名患者中有5名在治疗后6个月存活，没有癌症进展，这是NSCLC免疫治疗的意外结果。
目前很多新研究集中于免疫疗法+表观遗传药物（例如，过继细胞疗法，免疫刺激性mAb，基于细胞因子的疗法和疫苗接种策略）。
表观遗传调节剂可以通过几种机制增强对免疫检查点阻断的反应，例如增加检查点抑制剂对肿瘤细胞的表达，诱导T细胞上的趋化因子表达，以及减少TME中的抑制性细胞群。
HDACi-PD-1联用减缓了肿瘤进展，增加生存期，与HDACi上调黑色素瘤中的PD-L1和PD-L2水平有关。
H3K27me3抑制+anti-CTLA-4使B16F10黑色素瘤体积缩小，Tregs水平也降低了。
表观遗传调节剂可以增加肿瘤微环境的T细胞浸润，并通过去除抑制卵巢癌和肺癌中趋化因子表达的表观遗传标记来增强对免疫检查点阻断的反应。DNMTi 5­aza­2′­deoxycytidine (5­AZA­dC，地西他滨,5-氮杂-2'-脱氧胞嘧啶核)上调肿瘤中Th-1的趋化因子CXCL9和CXCL10的表达，增加T细胞浸润，并提高PD-L1检查点阻断的治疗反应。这表明趋化因子对于TME的T细胞浸润关系重大，其表达降低可保护肿瘤躲避免疫反应。
此外，HDACis还可以通过减少抑制性细胞群如MDSC，来增加检查点阻滞疗法的疗效。
免疫疗法与传统标准疗法（化疗，放疗）相比，优势为可全面应用于不同癌症亚型并通过免疫记忆引发特异性和持久性反应。表观遗传药物特异性地使上皮癌细胞引发宿主免疫应答，为癌症患者的未来免疫疗法提供了重要前景。

一代表观遗传药物如5-AZA-CdR的药理学限制，例如半衰期短，体内胞苷脱氨酶失活敏感，以及明显的造血毒性，所有这些都可能阻碍其在联合治疗方案中的应用。
为解决这些问题，目前正在开发第二代表观遗传药物，如DNA低甲基化剂SGI-110（瓜地西他）。SGI-110 + mAb 9H10（针对CTLA-4）处理的鼠乳腺癌TS / A中实现显著的抗肿瘤作用。另外，伏立诺他，panobinostat和恩替司他在内的几种第二代HDACis与免疫疗法的联用也在研究中。

用于免疫疗法的新型表观遗传药物

除HDACis和DNMTi外，一些新型表观遗传药物包括：
a. 组蛋白甲基转移酶抑制剂
GSK126（EZH2甲基转移酶活性的选择性抑制剂）显示出协同改善T细胞疗法的治疗功效并增加卵巢癌中CXCL9和CXCL10以及CD8 + T细胞浸润的肿瘤表达
b. 溴结构域抑制剂
JQ1，一种选择性溴结构域/ BET抑制剂，增强T细胞持久性和功能并抑制卵巢癌中的PD-L1表达以恢复细胞毒性T细胞应答。此外，JQ1与抗PD-1免疫检查点阻断相结合增强了肺癌中的抗肿瘤反应。
c. 组蛋白去甲基化酶抑制剂
组蛋白去甲基化酶抑制剂与其他种类的表观遗传药物有协同作用。 DNMT和LSD1的双重抑制能协同重新激活癌细胞中的沉默基因。类似地，LSD1抑制剂INCB059872与BET抑制剂组合以在体外和体内减少骨髓分化并增强人AML（急性髓性白血病）模型中的抗肿瘤功效。

此外，其他的免疫调节作用可能还有：DNA低甲基化可导致NK或T细胞中沉默的逆转录病毒序列的激活，以诱导IFN信号传导。免疫细胞中的IFN信号传导可以增强抗肿瘤活性和细胞因子表达。有证据表明来自HERV Env蛋白家族的一些内源性逆转录病毒（例如，HERV-FRD，HERV-H，HERV-K）显示出免疫抑制活性，其可损害对外源病原体和肿瘤的免疫应答。

I型IFN（干扰素）和IFN相关基因可以决定表观遗传治疗对肿瘤细胞再免疫攻击的影响吗？

I型IFN除了可以抑制Tregs和MDSCs的免疫抑制活性外，还具有激活几种免疫细胞类型（如DC细胞，NK细胞和CTLs）的能力。成功的化学疗法，放射疗法和免疫疗法通常依赖于癌症患者中完整的I型IFN信号传导，并且与许多人类癌症中的良好预后相关。DNA低甲基化药物还能通过诱导IFN-1和IFN-II信号传导增加肿瘤识别和免疫原性。
我们认为I型IFN和IFN相关基因可用来确定不同表观遗传学疗法在肿瘤细胞对免疫攻击的再教育上的影响。

Re-education of cancers cell towards visibility for immune attack..png

这些又引发了一些新的问题，等待我们回答：
T细胞何时被T细胞视为可见？
不同的表观遗传药物诱导的是相同还是不同的IFN激活信号？
多种表观遗传药物包括新类型表观遗传药物与免疫治疗策略，化学疗法联用是否进一步增强了肿瘤对免疫细胞的可见性？
哪种表观遗传药物单独使用或与其他疗法联合使用对免疫攻击的肿瘤再教育影响最大？
另外，哪些细胞亚群（例如T细胞）最适合表观遗传药物？

最近研究也表明I型IFN也可以导致免疫抑制。例如，T细胞（以及TME中的其他免疫细胞）对IFN-γ的上调可以增加肿瘤细胞上的PD-L1表达，导致T细胞衰竭和适应性免疫抗性。此外，IFN相关信号传导还可以驱动非免疫介导的对化疗和放射的抗性。有人提出，通过未磷酸化的STAT1（一种关键的IFN调节的转录因子途径）激活IFN信号传导，除了其他负调节蛋白外，还激活一组独特的ISGs，称为干扰素相关的DNA损伤抗性信号（IRDS），驱动免疫抑制。

结语

免疫检查点抑制剂的最近到来有望显著改变具有许多不同肿瘤类型的患者的管理，并促使开发许多组合策略作为个性化癌症治疗的强有力的新方法。
在肿瘤发展过程中肿瘤和免疫细胞之间的相互作用是复杂的，并且表观遗传修饰是导致免疫逃逸的许多病理变化的重要来源。
正如本综述所强调的，表观遗传调节因子在将免疫抑制平衡转向免疫激活方面发挥着重要作用。
免疫回避表型的基因表达抑制，协同地激发免疫系统以获得更有效的免疫疗法反应。

然而，尽管免疫疗法显示出显著的前景，但是混合肿瘤消退仍然代表临床挑战，因为并非所有癌症类型都对治疗有反应，并且并非“响应”组中的所有患者都经历临床改善。因此，确定适当患者群体的组合策略至关重要。
此外，还需要治疗患有获得性免疫抗性的患者的策略。
最后，能够引发免疫疗法免疫反应的其他表观遗传调节因子的确定值得关注。

总体而言，该综述强调了将表观遗传疗法和免疫疗法结合起来以实现更有效的治疗反应的希望，即使在免疫原性较差的肿瘤中也是如此。

缩略语

PD-1：programmed cell death 1 程序性细胞死亡1
PD-L1：programmed death ligand 1 程序性死亡配体1
PD-L2：programmed death ligand 2 程序性死亡配体2
PTMs: post-translational histone modifications 翻译后组蛋白修饰
DNMTi: DNA methyltransferase inhibitor DNA甲基转移酶抑制剂
HDACi: histone deacetylase inhibitor 组蛋白去乙酰化酶抑制剂
TAA: tumour-associated antigens 肿瘤相关抗原
APM: antigen processing and presentation machinery 抗原加工和呈递机制
NK: natural killer 自然杀手
NKG 2D: NK group 2D NK组2D
MICA/B: MHC class I-related chain A/B MHC I类相关链A / B.
ULBPs: ULB16-binding proteins ULB16结合蛋白
TRAIL: TNF-related-apoptosis inducing ligand TNF相关细胞凋亡诱导配体
FASL: FAS ligand FAS配体
DC: dendritic cell 树突细胞
APC: antigen presenting cells 抗原呈递细胞
TFH: T follicular helper T滤泡辅助
Treg: regulatory T cell 调节性T细胞
CTL: cytotoxic T lymphocyte 细胞毒性T淋巴细胞
TCR: T cell receptor T细胞受体
HLA: human leukocyte antigen 人白细胞抗原
TAP: transporter associated with antigen presenting 与抗原呈递相关的转运蛋白
ICAM-1: intercellular adhesion molecule 1 细胞间粘附分子1
TILs: tumour-infiltrating lymphocytes 肿瘤浸润淋巴细胞
CTLA-4: cytotoxic T lymphocyte antigen 4 细胞毒性T淋巴细胞抗原4
TNBC: triple-negative breast cancer 三阴性乳腺癌
NSCLC: non-small cell lung cancer 非小细胞肺癌
AML: acute myeloid leukaemia 急性髓性白血病
CCL: chronic lymphatic leukaemia 慢性淋巴性白血病
mAb : monoclonal antibody 单克隆抗体
FDA: Food and Drug administration 食品和药品管理局
Ig: immunoglobin 免疫球蛋白
PI3K: phosphoinositide 3-kinase 磷酸肌醇3-激酶
MDSC: myeloid-derived suppressor cell 髓源性抑制细胞
CAF: cancer-associated fibroblast 癌症相关的成纤维细胞
CSC: cancer stem cell 癌症干细胞
HGF: hepatocyte grown factor 肝细胞生长因子
CTAs: cancer testis antigens 癌症睾丸抗原
HMW-MAA: high molecular weight melanoma-associated Antigen 高分子量黑色素瘤相关抗原
Th1: T helper 1 T助手1
EZH2: enhancer of zeste homologue 2 zeste同源物2的增强子
H3K27me3: histone 3 lysing 27 trimethylation 组蛋白3裂解27三甲基化
DNMT1: DNA methyltransferase 1 DNA甲基转移酶1
ERVs: endogenous retroviral sequences 内源性逆转录病毒序列
5-AZ A-dC: 5-aza-2′-deoxycytidine 5-氮杂-2'-脱氧胞苷