鹰谷靶点 | 科学家发现肺癌细胞逃逸免疫的新靶点IRE1α-XBP1

原发性肺癌是我国最常见的恶性肿瘤。从病理和治疗角度，肺癌大致分为非小细胞肺癌(NSCLC)和小细胞肺癌(SCLC)两大类。由于早期诊断较差，肺癌成为人类健康的“头号杀手”。尽管外科手术水平取得了提高，并且一些分子靶向治疗已获得了FDA 批准，但 NSCLC的死亡率仍然很高[1]。近年来，免疫疗法，特别是靶向 PD-1/PDL-1 轴的免疫疗法，显著改善了一部分NSCLC 患者的总生存期[2]。然而，由于肿瘤微环境(tumor microenvironment，TME)中的各种免疫抑制障碍，大多数(>75%)患者几乎没有临床获益[2,3]。

未折叠蛋白反应(Unfolded protein response，UPR)因其免疫调节能力而受到重视。TME中的不利条件，如缺氧、营养饥饿和氧化应激，会破坏浸润细胞中内质网 (ER) 的蛋白质折叠能力，引发“ER应激”状态[4]。 在ER应激期间被激活，需要内质网应激感应蛋白(IRE1α)激活后，其核糖核酸内切酶结构域会剪接XBP1的mRNA，诱导UPR靶基因表达。

此前，有报道异常IRE1α-XBP1信号传导促进了卵巢癌的免疫逃逸和转移[5]。在慢性阻塞性肺病和囊性纤维化的背景下进行过研究和最近的一项研究表明，XBP1s介导的胰岛素样生长因子结合蛋白3 (IGFBP3)的上调促进了 NSCLC 的侵袭和转移[6,7]。然而，IRE1α-XBP1 信号在NSCLC 中的免疫调节作用在很大程度上仍未得到探索。

2023 年 1 月 9 日，根据威尔康奈尔(Weill Cornell Medicine)研究人员在Nature Communications上发表的一项研究，肺癌细胞中常见的高水平蛋白质控制着一种主要的免疫抑制途径，可使肺部肿瘤逃避免疫攻击[8]。这一发现可以加速克服这种肿瘤防御机制并改善肺癌患者预后的治疗方法的发展。此项研究中，研究人员发现XBP1s表达与 NSCLC 患者的不良预后相关。使用 NSCLC 的KRAS 小鼠模型，发现癌细胞固有的 IRE1α 促进显着的肿瘤内免疫抑制，从而促进恶性进展。

首先，研究人员开发了一个计算模型，量化剪接的XBP1 mRNA 亚型 (XBP1s) 相对于TCGA 数据库中RNA-seq 数据的总XBP1转录本的百分比，以确定 IRE1α-XBP1 信号在 NSCLC 患者中的临床相关性。与高XBP1相比，低XBP1患者的总生存期 (OS) 显着改善，XBP1高中位数为 37.6 个月，XBP1低中位数为 58.3 个月。为了证明存活率的差异是 IRE1α-XBP1 轴特有的，而不是由于更广泛的 UPR 反应，团队进行了基因集富集分析 (GSEA)，将顶部和底部XBP1s与来自分子特征数据库的 UPR 特征进行比较，Hallmark UPR 特征和XBP1s靶基因都在XBP1s高患者队列中富集。这些发现表明，IRE1α-XBP1 激活与人类 NSCLC 的总生存期较差有关，XBP1s水平可预测人类 NSCLC 的存活率降低。

接下来，研究人员采用了肺癌的突变体Kras G12D p53 -/- (HKP1) 原位模型，该模型在同源免疫活性 C57BL/6 小鼠中发展为与人类NSCLC具有组织病理学相似性的腺癌，研究了 IRE1α-XBP1 信号在非小细胞肺癌中的功能作用。与体内正常肺驻留上皮细胞相比，HKP1 肿瘤细胞中的UPR信号增加。相对于载体对照，从HKP1肿瘤中分选出的mCherry+肿瘤细胞中存在 IRE1α-XBP1 的强烈激活，与体外经历毒胡萝卜素 (Tg) 诱导的 ER 应激的 HKP1 细胞相当，表明癌细胞中 IRE1α 的缺失会延迟肿瘤生长并提高NSCLC小鼠模型的存活率。此外，研究人员评估了癌细胞固有的 IRE1α 丢失对 HKP1 肿瘤进展的影响。10天之后，与 IRE1α WT对照相比，癌细胞诱导的肿瘤消退中的 IRE1α 缺陷。与对照组相比，IRE1α KO荷瘤小鼠的总体存活率显着增加。此外，IRE1α KO小鼠中 XBP1s 诱导的肿瘤生长与存活率降低相关，IRE1α WT（28 天）、IRE1α KO（41 天）和 IRE1α KO Xbp1s（31 天）的中位存活率。总之，这些结果揭示了 IRE1α-XBP1 信号在 NSCLC 中的主要促肿瘤作用。

为了确定由 IRE1α 缺失引起的肿瘤消退表型的潜在机制，研究人员在两个不同的生长时间点对从 IRE1α WT或 IRE1α KO肿瘤中分选出的 mCherry+ 恶性上皮细胞进行了 RNA-seq，差异调节基因的分析（第 10 天和第 14 天）揭示了 IRE1α KO样本上调基因中免疫相关类别的富集。IRE1α WT癌细胞在细胞周期、代谢、胆固醇和类固醇生物合成基因程序中表现出富集，表明 IRE1α 的癌细胞内在丢失可能已经重新编程了 HKP1 肿瘤的免疫微环境。HKP1 肿瘤中 IRE1α 的缺失并不影响浸润性 CD45+ 细胞的总数，但它显着改变了不同肿瘤内免疫细胞亚群的比例，免疫表型数据表明由 IRE1α 缺失引起的适应性抗肿瘤免疫反应的激活，其在第 14 天表现出与观察到的肿瘤消退表型一致。总之，这些数据表明癌细胞固有的 IRE1α-XBP1 可能会削弱 TME 中适应性免疫细胞的杀瘤能力，从而促进免疫逃避和恶性进展。

那么癌细胞固有 IRE1α 激活如何塑造肿瘤免疫微环境呢？

研究人员策划了一个免疫调节数据集，通过比较 IRE1α WT和 IRE1α KO HKP1 细胞确定的具有差异调节基因的数据库分析表明，类花生酸和 WNT/β-连环蛋白是 IRE1α WT肿瘤中最富集的途径。与RNA-seq 发现一致，BALF分析表明，与携带 IRE1α WT肿瘤的小鼠相比，携带 IRE1α KO HKP1 肿瘤的小鼠的 PGE 2水平显著降低。因此，假设肿瘤细胞通过IRE1-XBP1 激活分泌的PGE 2可能调节肿瘤免疫微环境。在具有用 Ptges 重建的IRE1α KO肿瘤的小鼠中观察到正常的肿瘤生长动力学。此外， IRE1α KO小鼠中Ptges诱导的肿瘤生长与存活率降低相关，IRE1α WT的中位存活期为 28 天， IRE1α KO为 56.5 天，IRE1α KO Ptges为32 天（32 天）。这些结果确定了 IRE1α-mPEGS1-PGE 2轴在实验性 NSCLC 进展和宿主存活中的作用。

此后，研究人员使用小鼠 IRE1α 特征预测人类 NSCLC 的结果。团队系统地评估了各种统计参数，包括倍数变化 (FC) 和错误发现率 (FDR)，以确定与人类 NSCLC 生存相关的最佳基因特征。与 HKP1 模型一致，GO 分析突出了 IRE1α KO上调标志性人类 NSCLC 队列中免疫介导过程的改变。富含 IRE1α KO高特征的患者显示微环境评分增加，这是所有免疫和基质细胞评分的总和，表明整体增强的免疫环境。

总而言之，研究团队发现 IRE1α 基因特征可预测人类 NSCLC 中的免疫细胞浸润和总体存活率，同时揭示了癌细胞固有 IRE1α 激活的免疫调节作用，并表明靶向该通路可能有助于增强 NSCLC 的抗肿瘤免疫力。该研究的共同通讯作者Vivek Mittal 博士说：“我们发现XBP1s是调节肺部肿瘤局部免疫环境的癌细胞重要通路的一部分，并且可以敲降它以增加抗癌免疫力”。另一共同通讯作者Cubillos-Ruiz博士说：“靶向IRE1α-XBP1 可能代表一种非常有用的双管齐下的治疗方法，它可以控制肺癌的进展，同时诱导保护性抗肿瘤免疫。”因此，癌细胞内在激活 IRE1α 信号是 TME 中免疫抑制的驱动因素，表明靶向这种 ER 压力传感器可能代表一种“双管齐下”的治疗方法来抑制恶性细胞，同时引发有效的抗癌作用免疫。IRE1α 基因特征有可能作为疾病的预后/诊断生物标志物，并可能监测针对 IRE1α-XBP1 通路的疗法的疗效。

参考文献：

1.Herbst, R. S., Morgensztern, D. & Boshoff, C. The biology and management of non-small cell lung cancer. Nature 553, 446–454 (2018).
2.Altorki, N. K. et al. The lung microenvironment: an important regulator of tumour growth and metastasis. Nat. Rev. Cancer 19, 9–31 (2019).
3.Brahmer, J. R. Immune checkpoint blockade: the hope for immunotherapy as a treatment of lung cancer? Semin. Oncol. 41, 126–132 (2014).
4.Bettigole, S. E. & Glimcher, L. H. Endoplasmic reticulum stress in immunity. Annu. Rev. Immunol. 33, 107–138 (2015).
5.Song, M. et al. IRE1α-XBP1 controls T cell function in ovarian cancer by regulating mitochondrial activity. Nature 562, 423–428 (2018).
6.Bradley, K. L., Stokes, C. A., Marciniak, S. J., Parker, L. C. & Condliffe, A. M. Role of unfolded proteins in lung disease. Thorax 76, 92–99 (2021).
7.Luo, Q. et al. XBP1- IGFBP3 signaling pathway promotes NSCLC invasion and metastasis. Front. Oncol. 11, 654995 (2021).
8.Crowley, M.J.P., Bhinder, B., Markowitz, G.J. et al. Tumor-intrinsic IRE1α signaling controls protective immunity in lung cancer. Nat Commun 14, 120 (2023).