腫瘤細胞通過水解cGAMP促進轉移和免疫逃逸

2021-01-09 中國生物技術網

作為癌症的重要特性之一，染色體不穩定性會導致微核（micronuclei）的形成，後者易於破裂的特性使雙鏈DNA暴露於胞質中，結合雙鏈DNA感受器cGAS【1】。cGAS催化信使分子cGAMP的合成，激活接頭分子STING，從而活化I型幹擾素通路，增加腫瘤細胞的免疫原性及免疫細胞的浸潤。

除了胞內通路，腫瘤細胞合成的cGAMP亦會釋放至胞外，被浸潤於腫瘤微環境中的免疫細胞所攝取，激活後者胞內的STING通路，增強其殺傷力【2,3】。目前發現，腫瘤細胞通過使胞內的STING通路將信號更多轉導至非經典NF-κB通路而非IFN通路，從而實現免疫逃逸，且NF-κB的非經典途徑活化反而加速了癌症進展【4】。然而，腫瘤是否存在針對胞外cGAMP的免疫逃逸機制尚不清楚。

2020年12月28日，美國紀念斯隆凱特琳癌症中心Samuel F. Bakhoum等在Cancer Discovery雜誌在線發表題為Metastasis and immune evasion from extracellular cGAMP hydrolysis的研究論文，發現腫瘤細胞通過ENPP1水解胞外的cGAMP抑制免疫細胞的活化，且cGAMP水解後產生的腺苷進一步抑制了抗腫瘤免疫，並促進腫瘤轉移。

作者首先構建了染色質高度不穩定和低度不穩定的MDA-MB-231乳腺癌細胞系，發現胞外核苷酸酶ENPP1在前者中高表達，且富集於細胞膜上。在小鼠肺腺癌模型（搭載KRAS-G12D突變及p53缺失）中，ENPP1在普通組織中表達量很低，其表達量隨腫瘤進展和轉移而逐漸升高。敲除ENPP1並不影響腫瘤的生長，但抑制了其轉移，且敲除ENPP1後胞外/胞內cGAMP水平比大幅上升。缺失酶活性的ENPP1-T328A突變體則並不影響腫瘤轉移，表明ENPP1的促轉移功能是依賴其核苷酸酶活性的。

cGAMP的水解途徑

之前已有報導發現ENPP1可以水解cGAMP產生AMP和GMP[5]，AMP可以在胞外被CD73（NT5E）水解為腺苷，而腺苷可以抑制抗腫瘤免疫並促進腫瘤轉移。基於此，作者採用了加入EHNA（腺苷脫氨酶抑制劑）和NMBPR（抑制細胞攝取腺苷）的培養基，發現敲除cgas或ENPP1顯著降低了培養基中的腺苷含量，並抑制了4T1細胞遷移。相應地，過表達ENPP1或加入外源cGAMP則促進了4T1細胞遷移，但如果同時加入腺苷受體A2B抑制劑PSB115，則恢復了4T1細胞的遷移水平。以上結果表明，ENPP1通過水解cGAMP並最終產生腺苷，促進癌細胞的轉移。

進一步，作者發現在小鼠成瘤模型中，敲除腫瘤細胞的ENPP1可以促進GM-CSF的產生，並增強了各種免疫細胞的浸潤，並抑制了腫瘤轉移。共敲除4T1細胞中的cgas和ENPP1則降低了免疫細胞的浸潤水平，表明ENPP1對腫瘤免疫的抑制依賴於胞內cGAS產生的cGAMP。此外，在小鼠模型中，ENPP1的缺失加強了免疫檢查點封閉療法（ICB）的療效，而ICB則對過表達ENPP1的腫瘤完全無效。但在缺失STING（TMEM173-/-）的小鼠中，ENPP1對ICB的療效沒有影響，說明ENPP1可能通過水解cGAMP抑制了浸潤免疫細胞中的STING激活，從而達成免疫抑制。而在4T1細胞中敲除STING反而抑制了腫瘤的轉移。

ENPP1和cGAS對ICB在荷瘤小鼠上的療效的影響

最後，作者通過對臨床樣本的分析，發現ENPP1在多種腫瘤的轉移灶內高表達。資料庫分析表明，當腫瘤細胞cGAS低表達時，ENPP1表達量與免疫細胞的浸潤無關；但當cGAS高表達時，ENPP1表達量與免疫細胞的浸潤及ICB的療效顯著負相關。cGAS和ENPP1共同高表達的三陰性乳腺癌（TNBC）患者預後最差。同時值得注意的是，TNBC腫瘤微環境的基質細胞中ENPP1表達量同樣較高，表明腫瘤細胞可能通過某種機制上調了微環境其它細胞中ENPP1的表達量，以共同促進免疫逃逸。

機制示意圖

綜上，本文報導了ENPP1通過水解腫瘤細胞cGAS產生的胞外cGAMP，抑制浸潤免疫細胞中STING的活化，並通過AMP進一步水解產生的腺苷促進腫瘤轉移。本文不僅揭示了新的潛在癌症治療靶點，結合作者課題組之前對STING促進腫瘤轉移的報導，更對當前抗癌界炙手可熱的新星——STING激動劑的應用提出了潛在風險，尤其是通過cGAS激活STING的寡核苷酸類分子。這提示我們STING激動劑的適應症和給藥方式都需要更精確的把控。作者提出，靶向ENPP1可能比直接激活STING更具應用價值：一方面，抑制ENPP1可能使更多cGAMP趨向分泌至胞外，活化免疫細胞，而非激活胞內的STING，從而避免STING激動劑的雙刃劍作用；另一方面，ENPP1在普通組織中表達量很低，在染色質高度不穩定的轉移性腫瘤中則表達量高，故其抑制劑有相對明確的適應症，且給藥方式不需要像STING激動劑一樣複雜。

原文連結：

https://cancerdiscovery.aacrjournals.org/content/early/2020/12/23/2159-8290.CD-20-0387

參考文獻：

1. Harding SM, Benci JL, Irianto J, Discher DE, Minn AJ, Greenberg RA. Mitotic progression following DNA damage enables pattern recognition within micronuclei.Nature. 2017;548(7668):466-470. doi:10.1038/nature23470

2. Marcus A, Mao AJ, Lensink-Vasan M, Wang L, Vance RE, Raulet DH. Tumor-Derived cGAMP Triggers a STING-Mediated Interferon Response in Non-tumor Cells to Activate the NK Cell Response.Immunity. 2018;49(4):754-763.e4. doi:10.1016/j.immuni.2018.09.016

3. Carozza, J.A., Bhnert, V., Nguyen, K.C. et al. Extracellular cGAMP is a cancer-cell-produced immunotransmitter involved in radiation-induced anticancer immunity.Nat Cancer1, 184–196 (2020). doi:10.1038/s43018-020-0028-4

4. Bakhoum SF, Ngo B, Laughney AM, et al. Chromosomal instability drives metastasis through a cytosolic DNA response.Nature. 2018;553(7689):467-472. doi:10.1038/nature25432

5. Li L, Yin Q, Kuss P, et al. Hydrolysis of 2'3'-cGAMP by ENPP1 and design of nonhydrolyzable analogs.Nat Chem Biol. 2014;10(12):1043-1048. doi:10.1038/nchembio.1661

來源：BioArt

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