原文题目：Aberrant hyperexpression of the RNA binding protein FMRP in tumors mediates immune evasion
通讯作者：Douglas Hanahan
隶属单位：瑞士实验癌症研究所（ISREC）
DOI：10.1126/science.abl7207
癌症生物学和治疗已经通过控制适应性免疫的免疫调节机制的知识而改变。虽然某些形式的治疗耐药性与适应性免疫系统的有意短暂操作有关，但其他形式的抵抗反映了在不同情况下调节免疫系统的更微妙的要求。当对人肿瘤组织微阵列进行免疫染色以表达FMRP时，大多数肿瘤表达FMRP，而同源正常组织则不表达。为了研究这种广泛的上调的功能意义，FMR1基因通过CRISPR-Cas9基因编辑（FMRP-KO，其中KO表示敲除）在小鼠癌细胞系中消融，这些细胞系接种到免疫缺陷和同源免疫功能小鼠中，以与野生型（WT）FMRP表达细胞系平行建立肿瘤。携带FMRP-KO肿瘤的小鼠在免疫缺陷宿主中与同基因WT肿瘤具有相似的存活率，表明FMRP本身不参与刺激肿瘤生长。相比之下，肿瘤生长受损，免疫功能正常的宿主的存活期延长，涉及适应性免疫系统。事实上，表达FMRP的WT肿瘤基本上没有T细胞，而FMRP-KO肿瘤则高度发炎。CD8和CD4 T细胞的耗竭恢复了肿瘤生长并降低了存活率，这与WT肿瘤的免疫逃逸有关。WT和FMRP-KO肿瘤通过单细胞RNA测序进行分析，揭示了全基因组转录和癌细胞，巨噬细胞和T细胞丰度的显着差异。为了阐明这种多方面调节蛋白的作用，我们进行了几种功能扰动，揭示了：表达FMRP的癌细胞产生诱导调节性T细胞的趋化因子白细胞介素-33（IL-33），以及肿瘤分泌蛋白S（PROS1）配体和外泌体，引发肿瘤促进（M2）巨噬细胞。两种细胞类型都是免疫抑制的，共同有助于抵御T细胞攻击的屏障。相比之下，FMRP-KO癌细胞下调所有三个因子并上调C-C基序趋化因子配体7（CCL7），这有助于招募和激活T细胞。此外，免疫刺激巨噬细胞在这种情况下发展，表达三种促炎趋化因子 - CCL5，CXCL9和CXCL10 - 它们与CCL7合作募集T细胞。最后，FMR1 mRNA和FMRP蛋白水平都不足以预测癌症患者队列的结果。认识到FMRP作为调节mRNA稳定性的RNA结合蛋白的功能，从而调节转录组数据集中的水平，通过比较FMRP表达与FMRP缺陷的癌细胞，在培养和肿瘤内开发了反映FMRP癌症调节活性（涉及156个基因）的基因标记。我们的FMRP癌症活性特征可预测多种人类癌症的生存率;与不同肿瘤类型T细胞浸润强度抗相关，与FMRP的免疫抑制作用一致;并且与选定队列中对免疫检查点抑制剂和免疫依赖性化疗的反应相对较差有关。
图 1.FMRP在多种人类肿瘤和同源新头小鼠肿瘤中上调
癌症经常发展出逃避免疫系统破坏的能力。旨在破坏肿瘤免疫屏障的治疗策略正在产生显着的结果，并且在某些情况下，可以治愈某些癌症患者。然而，大多数患者对免疫疗法没有反应，或者益处只是短暂的，这突出了了解癌症免疫反应背后的细胞和分子机制的重要性。
我们描述了在人类和实验性肿瘤的肿瘤微环境（TME）中以多种方式建立的免疫屏障的发现和表征，这是上调脆性X智力迟钝蛋白（FMRP）（由FMR1基因编码）的结果。FMRP是一种RNA结合翻译调节蛋白，被确定为突触可塑性和结构的调节因子，是神经元功能的重要组成部分。
图 2：癌细胞中FMRP的遗传缺失会损害肿瘤生长并提高免疫功能正常但非免疫缺陷小鼠的存活率
FMRP在神经元突触中以高水平表达，在全身器官中以不同水平低水平表达。其遗传或表观遗传失活是神经发育障碍脆性X综合征（FXS）的主要原因，这引发了对该蛋白质分子生物学的广泛研究。从历史上看，FMRP已被确定为翻译抑制因子，最近，它被认为是基因表达的调节因子，特别是通过调节在神经元功能中起作用的数百种细胞mRNA的丰度.尽管缺乏FMRP的小鼠和人类除了中枢神经系统的突出缺陷外是可行的，表面上是正常的，但较低水平的FMRP表达在其他器官中的作用和功能重要性尚未明确。值得注意的是，已经有描述性线索，但没有实质性文件证明FMRP可能对T细胞起免疫调节作用。
图 3.癌细胞中缺乏FMRP表达的肿瘤会引起CD8和CD4 T细胞的炎症，这些细胞负责生长受损和生存率提高
之前有几项研究描述了FMRP参与肿瘤进展，特别是刺激某些肿瘤类型的侵袭和转移，这导致我们通过基因敲除（KO）和基因敲低（KD）进一步评估其功能作用培养的癌细胞和小鼠生长的肿瘤。值得注意的是，我们的研究设计包括使用表达FMRP的小鼠癌细胞系，这些细胞系可以在免疫功能正常的小鼠中被确定为肿瘤，以评估FMRP表达及其衰减或缺失对填充TME的异型细胞类型的影响，包括与适应性免疫系统的潜在接口。
我们的研究结果表明，FMRP限制了CD8和CD4 T细胞的募集和扩增，这使得实体瘤能够逃避免疫破坏。基于Fmr1基因（编码FMRP蛋白）的工程基因KO的实验肿瘤模型揭示了这种能力，这些基因在一系列不同来源的癌细胞系中都以高水平表达内源性FMRP。FMRP的异常上调在各种人类癌症和基因工程小鼠模型中以不同的频率明显，包括许多对免疫检查点免疫疗法不经常反应的肿瘤类型。在泛癌症分析和选定的人类肿瘤类型中，由FMRP调节的癌症转录网络的基因标记诊断与更差的DFS和OS相关，并减少了CD8 T细胞的炎症，这与FMRP是一种癌细胞 - 内在免疫抑制剂的假设一致，有助于免疫逃避和人类癌症的发病机制。一个有趣的问题是，为什么参与突触传递的蛋白质应该具有这种能力？一种可能性是FMRP可以提高保护大脑免受T细胞炎症早熟诱导的标准，正如最近在神经炎症大鼠模型中的一项研究所表明的那样。
图 4：正如scRNA-seq所揭示的那样，癌细胞中没有上调的FMRP重新编程免疫TME。
值得注意的是，我们和其他人之前已经将FMRP视为侵袭和转移的促进剂，这不是本研究的重点。然而，我们的生物信息学研究并未将FMRP癌症调控网络的高特征评分与多种形式的人类癌症的肿瘤分级或分期显着关联。
FMRP是一种RNA结合蛋白，在神经元中具有多种功能，其中最突出的是不同细胞类型中数百种仅部分重叠的蛋白质的翻译调节。此外，FMRP结合并潜在地调节参与不同功能的多种细胞蛋白的功能，并且它还通过转录，mRNA剪接和mRNA稳定性直接或间接调节数百个基因的mRNA水平。尽管FMRP在癌细胞中的翻译调控靶点尚未详细说明，但我们已经通过转录组分析表明，与FMRP-KO癌细胞相比，FMRP显着调节WT中一百多个基因的mRNA水平，并间接影响填充TME的细胞类型中相似数量的基因， 这支持了它是癌细胞转录和翻译网络的关键调节因子的主张。
图 5.FMRP-KO细胞直接刺激T细胞增殖，对抗原特异性CD8 T细胞的杀伤更敏感
我们的研究表明，FMRP对免疫募集造成了多因素的障碍，不存在FMRP时的免疫刺激作用也是如此。如上所述，我们已经开始剖析这些二分类免疫表型的功能效应子。因此，通过scRNA-seq和细胞注释对FMRP-WT与FMRP-KO肿瘤中的TME进行分析揭示了适应性和先天免疫区室的显着改变，并导致FMRP上调与其缺失分别协调的免疫逃逸与肿瘤免疫所涉及的分子决定因素的鉴定和功能验证。
表达FMRP的肿瘤中的免疫逃避性TME涉及两个T注册和免疫抑制（M2样）巨噬细胞（以及潜在的其他类别的骨髓细胞），每个巨噬细胞都由表达FMRP的癌细胞分泌的因子引起。The T注册由IL-33诱导，我们通过CLIP-seq将其作为FMRP翻译控制的直接靶标。IL-33的重要性在功能研究中得到证实，其中它在FMRP-KO癌细胞中过表达。一致地，免疫抑制性M2样巨噬细胞由PROS1分泌诱导，CLIP-seq与CLIP-seq有关，是FMRP活性的另一个直接靶标，再次在共培养测定中和通过在FMRP-KO癌细胞中的过表达进行功能验证。与此同时，癌细胞衍生的外泌体被认为是癌细胞中FMRP表达的另一个主要机制效应物，这些外泌体在巨噬细胞中被证明诱导免疫抑制基因表达，作为其编程的一部分，成为免疫抑制。
图 6.免疫抑制性M2样巨噬细胞在WT的TME中含量丰富，但FMRP-KO肿瘤中含量不丰富，由PROS1和癌细胞衍生的外泌体编程，WT癌细胞表达更高
相比之下，在FMRP缺陷肿瘤中发育的由活化的CD8和CD4 T细胞组成的炎症TME具有几种起源于缺乏FMRP表达的癌细胞的机制成分。IL-33下调，降低了免疫抑制性T的丰度注册，以及其他FMRP抑制的CCL7的上调，其伴随导致CD8和CD4 T细胞的募集和增殖能力以及肿瘤生长的T细胞依赖性损伤。此外，PROS1在FMRP缺陷的癌细胞中下调，这有助于免疫抑制巨噬细胞的衰减，癌细胞分泌的外泌体的定量减少和定性修饰也是如此。尽管可以想象未鉴定的M1诱导因子在FMRP缺陷的癌细胞中上调，但这两种效应子在诱导免疫抑制性M2样巨噬细胞方面明显有帮助，从而允许它们在FMRP缺陷的癌细胞中下调，形成免疫刺激（M1样）巨噬细胞。最终结果是在FMRP缺陷癌细胞填充的肿瘤中出现表达促炎趋化因子CCL5，CXCL9和CXCL10的免疫刺激巨噬细胞，这间接促进了CD8 T细胞的募集，而CD8 T细胞又通过分泌IFN-γ来扩增趋化因子表达和T细胞炎症。
最后，研究人员总结了FMRP控制的分子机制以及我们在功能上与免疫抑制与发炎肿瘤有关的分子机制。例如，从scRNA-seq分析中可以明显看出，FMRP（与神经元非常相似）是多种基因的关键调节因子，直接（和间接）在癌细胞中起作用，间接在TME细胞中起作用。因此，我们预计其他组成部分仍有待确定和功能阐明。
图 7：FMRP-KO肿瘤巨噬细胞中的促炎趋化因子直接和间接上调，通过介导肿瘤免疫的T细胞协调炎症
最后，与关于FMRP在神经元中复杂的转录后和翻译后调节的知识库一致，我们无法将FMR1 mRNA的水平（或在TNBC的情况下，FMRP蛋白的水平）与人类癌症的预后联系起来，这涉及在癌细胞中起作用的类似调节机制，值得未来研究。这种脱节促使FMRP调节癌症网络的基因特征诊断的发展（图）。S12D和表S4），揭示了FMRP的下游转录网络是多种人类癌症的阴性预后因子。免疫逃逸是重要的预后组成部分的证据，与本文介绍的机制研究一致，来自证明高FMRP转录网络活性与转录组数据集可用的几个患者队列中对免疫检查点抑制剂的反应相对较差有关，对某些化疗反应不佳，其中适应性免疫系统的活性被认为是治疗效果的工具部分。因此，所描述的FMRP癌症网络表达的基因特征可能在选择更有可能对这种免疫依赖性疗法产生反应的患者方面具有实用性。总体而言，FMRP在实体瘤中的广泛表达，伴随着其癌症调节网络的诱导，构成了肿瘤逃避免疫破坏的先前未被重视的机制。
在这项工作中，我们发现了一种涉及神经元RNA结合蛋白脆性X智力迟钝蛋白（FMRP）的免疫调节机制，该机制广泛调节蛋白质翻译和mRNA稳定性，并且在多种形式的癌症中异常上调。
这项研究的动机是有报道称，癌细胞自然过度表达FMRP，其在发育神经元中的表达丧失导致认知缺陷，是侵入性和转移性的。我们研究了FMRP在人类肿瘤中的表达，进一步评估了其在小鼠癌症模型中的肿瘤促进功能，并评估了其与人类癌症患者预后的关联。
DOI：10.1126/science.abl7207
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
