HMGB1和IDO在腫瘤免疫逃逸中的作用研究進展

崔雯瑄(綜述),馬 鳴(審校)

(河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院檢驗科,河北 石家莊 050011)

腫瘤免疫學是一個新興的醫(yī)學領(lǐng)域,為臨床腫瘤治療提供新的思路,不斷改善腫瘤患者的預后。隨著醫(yī)學技術(shù)的革新和科研模式的創(chuàng)新,臨床免疫檢查點阻斷療法已在臨床上取得了顯著的療效[1]。高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)和吲哚胺-2,3-雙加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase,IDO)作為腫瘤免疫治療的潛在靶點,受到廣泛關(guān)注。HMGB1和IDO在多種腫瘤組織和血清(血漿)中高表達,在促進腫瘤生長、侵襲和轉(zhuǎn)移的同時,介導機體抗腫瘤免疫反應(yīng)[2-3]。在此,本研究總結(jié)HMGB1和IDO作為潛在靶點,在腫瘤免疫逃逸中的主要作用并對HMGB1和IDO之間的相互調(diào)控機制進行探索。

1 HMGB1和IDO的結(jié)構(gòu)與功能

HMGB1是高遷移率族蛋白(high mobility group,HMG)家族成員之一,位于13q12染色體上,由214～216個氨基酸構(gòu)成,相對分子質(zhì)量約為25 000,因其在凝膠中遷移率高而得名。HMGB1含有2個同源L型結(jié)合區(qū)域(A盒和B盒)及帶負電荷的酸性C末端。A盒和B盒是DNA非特異性結(jié)合區(qū),B盒可與甲基化的CpG寡核苷酸形成免疫激活復合物,具有一定的促炎活性;而A盒可抑制B盒的促炎活性;酸性C末端是HMGB1與受體特異性結(jié)合的部位[4-5]。HMGB1是一種多功能蛋白。在核內(nèi),HMGB1主要調(diào)控基因的復制與轉(zhuǎn)錄;在胞質(zhì)中,調(diào)節(jié)細胞自噬和凋亡;在胞膜上,可誘導細胞遷移;在胞外,激活相關(guān)信號轉(zhuǎn)導通路誘導炎癥反應(yīng)和調(diào)控機體免疫功能[6]。除此之外,HMGB1也與凝血功能紊亂密切相關(guān),胞外HMGB1通過Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)和降鈣素基因相關(guān)肽途徑激活并聚集血小板,促進炎癥反應(yīng),導致內(nèi)皮細胞損傷,進而促進內(nèi)皮細胞和單核細胞釋放組織因子(tissue factor,TF),激活外源性凝血途徑[7]。

IDO為單拷貝基因,位于第8號染色體,包括10個外顯子和9個內(nèi)含子,由403個氨基酸組成,相對分子質(zhì)量約為42 000[8]。IDO可誘導一些炎性細胞因子表達,如白細胞介素6(interleukin-6,IL-6)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α),參與炎癥反應(yīng)及促進血管生成。IDO還可以直接或間接參與各種疾病的發(fā)生發(fā)展,包括炎癥性疾病、精神性疾病及惡性腫瘤等[8]。除此之外,IDO還是肝外唯一催化色氨酸(tryptophan,Trp)沿犬尿氨酸(kynurenine,Kyn)途徑分解代謝的限速酶,Trp的消耗導致體液免疫功能降低,Kyn的積累誘導耐受性免疫反應(yīng),利于腫瘤細胞的免疫逃逸,在機體抗腫瘤免疫反應(yīng)中有重要的作用[9]。

2 HMGB1和IDO在腫瘤組織中的影響

大量研究表明,HMGB1在肺癌[2]、乳腺癌[5]、宮頸癌[10]、食管癌[11]等腫瘤組織中高表達,與腫瘤細胞增殖、遷移、凋亡、自噬及腫瘤組織血管形成密切相關(guān)。He等[12]驗證了HMGB1通過磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/AKT途徑上調(diào)低氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor 1α,HIF-1α)促進腫瘤細胞生長、上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)促進腫瘤組織血管形成、誘導基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表達促進腫瘤細胞遷移。同時,HMGB1還可通過上調(diào)B淋巴細胞瘤2基因(B-cell lymphoma,Bcl-2)家族成員的表達來抑制腫瘤細胞的凋亡[13]。胞外的HMGB1若與晚期糖基化終產(chǎn)物(receptor for advanced glycation end products,RAGE)、TLR和腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1,TNFR1)結(jié)合,激活NF-κB途徑,不僅促進腫瘤細胞增殖和遷移,還可以介導炎癥反應(yīng)[14]。除此之外,Chai等[15]通過超微結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)HMGB1耗盡后,腫瘤細胞內(nèi)的自噬體也會減少,說明HMGB1對腫瘤細胞自噬具有一定的調(diào)節(jié)作用。由此可見,HMGB1高表達在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

IDO在食管癌[16]、乳腺癌[17]、胃癌[18]、肺癌[19]等腫瘤組織中普遍高表達。IDO與腫瘤組織血管形成密切相關(guān),其機制主要是IDO高表達,激活犬尿氨酸途徑,上調(diào)Tregs數(shù)量,Tregs可分泌血管內(nèi)皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA),使VEGFA水平升高,有利于腫瘤血管的形成[17,20]。除此之外,IDO通過犬尿氨酸途徑還可以使IL-6表達上調(diào),進而激活轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transduction and activators of transcription 3,STAT3)通路促進VEGF的表達,促進腫瘤血管生成[21]。因此,IDO在腫瘤組織中可促進血管生成,利于腫瘤細胞的生長、侵襲和遷移。

有研究報道,HMGB1和IDO在腫瘤組織中高表達往往與患者臨床分期較晚、腫瘤較大、發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和預后較差密切相關(guān)[12,21-22]。因此,HMGB1和IDO可能是腫瘤患者篩查、治療及預測預后的重要靶點。

3 HMGB1和IDO影響機體免疫功能的主要作用機制

腫瘤形成抑制性腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment,TME)是對抗抗腫瘤免疫反應(yīng)的重要途徑。TME成分包括轉(zhuǎn)化的細胞外基質(zhì)、可溶性因子、免疫抑制細胞、表觀遺傳修飾和重新編程的成纖維細胞、腫瘤細胞等,抑制性TME有利于腫瘤的免疫逃逸[23]。HMGB1和IDO通過調(diào)節(jié)免疫細胞的功能,在TME形成過程中發(fā)揮重要的作用。

3.1HMGB1影響機體免疫功能的主要作用機制 HMGB1對機體免疫功能具有雙重調(diào)節(jié)作用。HMGB1可作為保護性因子,活化免疫細胞,增強機體免疫功能,發(fā)揮抗腫瘤作用;也可與TME中浸潤的未成熟樹突狀細胞表面的TIM-3結(jié)合,激發(fā)其免疫抑制的潛力,使這些細胞逐漸分化為髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs),發(fā)揮促腫瘤作用[24]。HMGB1對免疫細胞功能的作用可能與其含量、氧化還原狀態(tài)有關(guān)。低含量的HMGB1可活化免疫細胞,而高含量HMGB1則會抑制免疫細胞的功能[25]。凋亡細胞可產(chǎn)生活性氧,氧化HMGB1,減弱其免疫刺激信號,導致免疫耐受[26];受損或壞死細胞釋放還原狀態(tài)的HMGB1,發(fā)出組織損傷信號并啟動炎癥反應(yīng)[27]。

HMGB1參與抗腫瘤免疫反應(yīng)在機體腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用,主要作用機制有以下兩個方面:①低水平HMGB1可激活NF-κB通路誘導樹突狀細胞(dendritic cells,DCs)成熟,呈遞抗原和釋放細胞因子,誘導T細胞分化和特異性的細胞毒性T細胞生成,激發(fā)免疫應(yīng)答,利于抗腫瘤免疫治療[28-29];②高水平的HMGB1可通過TLR4信號通路激活MDSCs,抑制T細胞功能[30];通過TLR-2/4和p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路促進調(diào)節(jié)性B細胞(B regulatory cells,Bregs)和Tregs的擴增,抑制CD8+T細胞功能[31-32]。HMGB1水平與CD8+T細胞呈明顯負相關(guān),降低機體的抗腫瘤免疫應(yīng)答能力,利于腫瘤的免疫耐受和免疫逃逸。

3.2IDO影響機體免疫功能的主要作用機制 IDO也對機體免疫功能具有雙重調(diào)節(jié)作用,主要與其含量有關(guān),即生理水平的IDO可降解許多微生物生存依賴的必需氨基酸Trp,故學者認為其主要與保護機體免受病原微生物感染的先天免疫機制有關(guān)[33],還有學者認為,生理水平IDO具有激活免疫功能的作用,但具體機制還需深入研究[34];而過表達的IDO,則會促進色氨酸沿犬尿氨酸途徑代謝,抑制T細胞的活化,從而抑制免疫功能,該作用是誘導腫瘤細胞免疫逃逸的重要機制之一[18,22]。此外,IDO在不同免疫細胞中,也發(fā)揮雙重調(diào)節(jié)作用。例如:在DCs和巨噬細胞中,IDO可抑制DCs和巨噬細胞的抗原提呈能力,進而抑制T細胞活化;而在NK細胞中,IDO則可明顯提高NK細胞對腫瘤細胞的殺傷效果,促進機體抗腫瘤免疫反應(yīng)[35]。

IDO主要通過以下三條途徑,以直接或間接的方式參與機體抗腫瘤免疫反應(yīng):①正常表達于NK細胞的IDO可維持NK細胞的正?；钚?增強機體的免疫功能,可能和T細胞、NK細胞表面受體與靶細胞表面配體相互作用產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)導有關(guān)[35],具體調(diào)節(jié)機制有待深入研究;②IDO通過犬尿氨酸途徑,產(chǎn)生的Kyn激活芳香烴受體(aromatic hydrocarbon receptor,AhR)信號通路和TLR-4-MyD88信號通路,誘導Bregs和Tregs分化,阻礙DCs成熟,抑制抗腫瘤T細胞反應(yīng)[19];除此之外,犬尿氨酸途徑產(chǎn)生的Kyn等代謝產(chǎn)物也具有細胞毒性,可抑制T細胞、NK細胞的功能并將Bregs、Tregs募集到腫瘤微環(huán)境中,激活MDSCs,產(chǎn)生局部抑制性免疫反應(yīng)[36-37];③IDO活化還可以使抗原提呈細胞(antigen presenting cells,APCs)釋放抑制性因子,如IL-10、轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β),形成抑制性TME,介導免疫耐受[38]。同時,在TME中,IDO過表達則CD4+T細胞和CD8+T細胞含量會明顯下降[39]。由此可見,IDO在抗腫瘤免疫中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。

4 HMGB1與IDO的相互作用機制

4.1HMGB1和IDO在腫瘤中相互作用機制 HMGB1和IDO在多種腫瘤組織中高表達,且在調(diào)控機體抗腫瘤免疫反應(yīng)方面具有相似或協(xié)同關(guān)系,目前無相關(guān)文獻闡明二者在腫瘤中的聯(lián)系,但過往研究結(jié)果提示二者之間可能存在相關(guān)調(diào)控機制。過表達的HMGB1通過激活NF-κB信號途徑促進Hela細胞的侵襲和遷移[10],同樣,HIV-1 Tat蛋白通過NF-κB途徑提高IDO-1的表達活性,進一步促進了Hela細胞增殖和侵襲[40]。推測,過表達的HMGB1可能通過激活NF-κB途徑,上調(diào)IDO水平,促進Hela細胞增殖、侵襲和遷移。除此之外,在食管鱗狀細胞癌(esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)細胞中,二者也表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。Han等[11]發(fā)現(xiàn),在ESCC細胞中,過表達的HMGB1可通過與RAGE受體結(jié)合促進p38 MAPK信號通路活化,進而促進ESCC細胞增殖、侵襲和對放射線的抵抗性。同樣,ESCC細胞過表達的p38 MAPK通路可以促進其增殖活性并上調(diào)IDO蛋白表達水平[16]。由此推測,過表達的HMGB1可能通過p38 MAPK途徑促進IDO的表達,進而激活ESCC細胞的增殖活性。因此,HMGB1對NF-κB和p38 MAPK等通路的激活作用,可能是HMGB1促進IDO表達的主要機制之一。其具體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)機制仍有待進一步研究。

4.2HMGB1和IDO在其他疾病中的相互作用機制 一些研究表明,在炎癥反應(yīng)和抑郁癥中,HMGB1對IDO的表達存在一定的促進作用。HMGB1可作為上游調(diào)節(jié)劑被活化的巨噬細胞釋放,與TLR-2/4結(jié)合,激活NF-κB、AP-1和IRF-5信號通路,促進IDO表達,參與分娩后的炎癥反應(yīng)[41]。Wang等[42]發(fā)現(xiàn)在抑郁行為模型小鼠體內(nèi)血清HMGB1濃度上調(diào)同時IDO水平也會上調(diào),二者水平呈顯著正相關(guān),可能與HMGB1促進Trp沿Kyn途徑代謝有關(guān)。

5 HMGB1和IDO作為腫瘤免疫治療潛在靶點的研究進展

近年來,腫瘤免疫治療已經(jīng)在腫瘤治療中顯示出廣闊的前景。大量臨床試驗數(shù)據(jù)證明了HMGB1和IDO的抑制劑在多種腫瘤的免疫治療中具有重要的作用。Jung等[14]首次發(fā)現(xiàn)了HMGB1與TNFR1相互作用可激活NF-κB信號通路,促進前列腺癌細胞增殖和侵襲,可通過使用HMGB1抑制劑來阻斷HMGB1/TNFR1/NF-κB信號通路抑制腫瘤細胞的增殖與侵襲,同時活化T細胞,增強機體免疫功能,精準有效地抑制前列腺癌的進展,克服了前列腺癌治療的局限性。HMGB1不僅可以作為治療靶點,在乳腺癌的治療過程中,還可用于篩選對CDK4/6抑制劑敏感的患者以提高治療效果,由于HMGB1在對CDK4/6抑制劑敏感的乳腺癌細胞中高表達,故血清HMGB1高水平患者接受CDK4/6抑制劑治療獲益會更大,HMGB1成為篩選對CDK4/6抑制劑敏感的患者的潛在標志物[43]。

Tousif等[19]發(fā)現(xiàn),IDO高表達促進Trp代謝產(chǎn)生Kyn,進一步促進Bregs的分化,抑制DCs抗原提呈能力,導致T細胞免疫耐受,故應(yīng)用IDO抑制劑可下調(diào)Bregs,增強機體的抗腫瘤免疫反應(yīng)。隨著免疫治療的不斷深入研究,其他療法聯(lián)合腫瘤靶點免疫治療法也逐漸在臨床上推廣使用。Wu等[44]報道,將光動力療法(photodynamic therapy,PDT)和檢查點阻斷免疫療法聯(lián)合運用,NLG919@HA-Ce6發(fā)射穩(wěn)定的球形納米膠束選擇性殺死腫瘤細胞,IDO抑制劑激發(fā)免疫反應(yīng),二者聯(lián)合大幅提高了抗腫瘤免疫療效。

然而,HMGB1和IDO在抗腫瘤免疫反應(yīng)中,仍有很多作用機制未被發(fā)現(xiàn)或熟知。今后還需要更深入的研究以更好地理解腫瘤中HMGB1和IDO免疫抑制的確切機制和二者之間的調(diào)控作用。

6 展 望

本文主要匯總了HMGB1和IDO在腫瘤免疫逃逸中的作用,二者在促進腫瘤發(fā)生發(fā)展和調(diào)控腫瘤免疫逃逸中具有相同或相似的作用,因而推測HMGB1和IDO可能具有潛在的聯(lián)系,但現(xiàn)有的文獻證據(jù)不足以支持該推測,后續(xù)將在二者相互調(diào)控機制方面進行深入探究。隨著研究的不斷深入,利用HMGB1和IDO對機體免疫反應(yīng)的雙重調(diào)控作用機制,可通過適量使用抑制劑控制其表達量來調(diào)節(jié)機體的免疫耐受和免疫逃逸。以最大程度改善惡性腫瘤患者的預后。

除此之外,機體大部分蛋白質(zhì)都是與伴侶分子或其他蛋白質(zhì)一起發(fā)揮生物學作用,蛋白質(zhì)間的相互作用在生命活動中至關(guān)重要[45]?；贖MGB1和IDO之間的潛在關(guān)聯(lián)性,應(yīng)用HMGB1和IDO抑制劑進行雙靶向治療比單獨抑制HMGB1或IDO的活性來進行腫瘤免疫治療可能具有更好的效果[46]。

綜上所述,HMGB1和IDO有望成為腫瘤免疫治療的新靶點,并且二者的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)值得更深入地研究。