Nature communications: USP14通过稳定结直肠癌中的IDO1来促
原文题目：USP14 promotes tryptophan metabolism and immune suppression by stabilizing IDO1 in colorectal cancer
通讯作者：Wenting Liao
隶属单位：中山大学肿瘤中心实验研究室
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33285-x
免疫检查点阻断（ICB）疗法已应用于越来越多的实体瘤，并显着改善了某些恶性肿瘤的临床结果。然而，ICB治疗在结直肠癌（CRC）中的效率有限。缺乏抗原突变以及肿瘤抗原表达和呈递的丧失直接导致对ICB治疗的初级耐药性。肿瘤细胞的其他内在改变，包括酶活性和代谢紊乱，可以防止免疫细胞浸润或肿瘤微环境（TME）内的功能，导致对免疫治疗缺乏反应。因此，旨在破坏控制这些代谢紊乱的途径的策略对于扩大癌症免疫疗法的应用至关重要。
图1：上调的IDO1蛋白表达与CRC中的免疫评分相关。
必需氨基酸色氨酸（TRP）的消耗和犬尿氨酸（KYN）的积累会对效应T细胞功能产生直接的负面影响，对外周免疫耐受性有很大影响，吲哚胺2，3双加氧酶1（IDO1）是一种催化TRP降解和KYN积累的必需酶。KYN通路中IDO1介导的TRP代谢是参与免疫耐受和肿瘤细胞免疫逃逸的最广泛研究的代谢途径之一。增加的IDO1表达通过诱导T细胞和自然杀伤（NK）细胞的失活以及调节性T细胞（Tregs），树突状细胞（DC）和骨髓来源的抑制细胞（MDSC）的激活和扩增，有助于建立免疫抑制性TME。此外，KYN及其衍生物可以直接与芳烃受体（AhR）相互作用，介导AhR信号传导的激活。AhR信号激活对免疫应答的调节具有多向性作用，包括上调肿瘤细胞中的IDO1表达，上调CD8 T细胞中的程序性细胞死亡1（PD-1）表达，上调CD4 T细胞中的叉头盒P3（FOXP3）表达，损害CD8 T细胞增殖，增加Tregs的比例。因此，IDO1介导的色氨酸代谢有助于肿瘤细胞形成免疫抑制性TME。
在各种实体瘤中已经鉴定出IDO1表达的上调。高水平的IDO1蛋白与CRC标本中CD3 T细胞浸润较低，存在远处转移以及患者生存率低有关+14.此外，IDO1介导的TRP代谢代表了抗细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA-4）或抗PD-1治疗耐药性的关键机制。表明靶向IDO1可能作为当前免疫疗法的潜在辅助手段。IDO1抑制剂已经在体外和体内以及临床试验中开发和测试。然而，在黑色素瘤的III期试验中，IDO1酶抑制剂（例如，依帕多司他）未能证明与ICB联合使用具有治疗益处。IDO1抑制剂在临床试验中失败的机制在很大程度上是未知的。IDO1抑制剂的“脱靶”效应被认为是其临床失败的主要原因。IDO1抑制剂的潜在脱靶效应主要包括通过体细胞中的TRP模拟物激活AhR信号传导的代偿性激活和雷帕霉素激酶（mTOR）信号传导的机制靶标。因此，除了抑制IDO1的酶活性外，这些化合物还可能同时引发广泛的AhR介导效应，包括改变免疫细胞分化和极化以及IDO1表达的上调。这些发现表明，IDO1抑制剂的免疫调节作用很可能与其“脱靶”作用有关，而不是IDO1抑制。因此，更好地了解IDO1的调节对于建立抑制IDO1途径和提高免疫治疗疗效的替代方法非常重要。
图2：USP14与CRC细胞中的IDO1相互作用并上调。
尽管在不同的肿瘤中观察到异常的IDO1表达，但其不同表达模式的确切机制尚不完全清楚。已知IDO1的表达在转录水平上通过I型和II型干扰素（IFN）有效诱导。其他研究表明，环氧合酶-2（COX2）的过表达驱动人肿瘤中的组成性IDO1表达。此外，高水平的炎性细胞因子，如白细胞介素（IL）−1，肿瘤坏死因子α（TNFα）和脂多糖（LPS），可以诱导IDO1在上皮细胞或肿瘤细胞中的表达。除了转录调节外，IDO1的表达和活性也在翻译后水平受到控制。例如，在 IL-6 驱动的促炎条件下，细胞因子信号传导 3 （SOCS3） 的抑制因子驱动 DC 中 IDO1 的蛋白酶体降解。此外，内源性一氧化氮（NO）与IDO1结合并可逆地抑制其活性。重要的是，CRC组织中的IDO1蛋白水平（而不是mRNA表达）高于邻近的非癌组织。这些研究表明，在某些情况下，翻译后调节可能是IDO1表达和活性的基础。然而，IDO1在肿瘤细胞中的翻译后调节背后的机制尚不完全清楚。
图 3：USP14 稳定并脱基化 IDO1。
在这里，使用标准化的免疫评分系统，研究人员证明IDO1水平与临床CRC样本中的免疫评分显着相关。此外，研究人员将泛素特异性蛋白酶-14（USP14）确定为在CRC细胞中维持高水平IDO1的关键翻译后修饰剂。USP14去亚化和稳定IDO1，以防止其含有21（TRIM21，E3连接酶）介导的降解的三方基序，从而促进CRC肿瘤中的TRP代谢和免疫抑制。USP14抑制降低IDO1蛋白水平，逆转CRC肿瘤的免疫耐受性，并使CRC肿瘤细胞致敏抗PD-1治疗。重要的是，抑制USP14对AhR活化没有脱靶效应，AhR活化被证明是由传统的IDO1抑制剂驱动的。总之，这些发现强调了USP14在IDO1的翻译后调节和抗肿瘤免疫抑制中的重要作用，使USP14成为CRC中重要的免疫治疗靶点。
在这项研究中，研究人员将USP14确定为IDO1的重要翻译后调节剂，在CRC中保持高水平的IDO1。USP14在CRC细胞中的过表达使IDO1脱倍并稳定IDO1，以防止TRIM21介导的泛素通过蛋白体降解，从而促进TRP代谢并抑制CRC中的T细胞增殖和活性。此外，USP14的敲低或USP14活性的抑制会降低IDO1蛋白水平，抑制TRP代谢，并损害CD8 T细胞的增殖和活化以及CD4细胞向Tregs的转化。此外，USP14的敲低或USP14活性的抑制增加了CRC肿瘤的抗肿瘤免疫反应和抗PD-1治疗的疗效。最后，研究人员在USP14与临床CRC样本中抗肿瘤免疫抑制之间建立了联系。研究人员的研究揭示了IDO1翻译后修饰的分子机制，这可能代表了一种可行的肿瘤靶向策略和直接抑制IDO1的替代免疫治疗方法。
图 5：USP14 缺乏症可逆转免疫抑制，而不激活 AhR 信号传导。
IDO1经常在TME的癌细胞和基质细胞中过表达。IDO1表达在转录水平上受到炎症分子的广泛刺激，例如IFNs，TNF-α，病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs）。此外，IDO1 mRNA 表达受致癌信号通路上调，包括 KIT 原癌基因、受体酪氨酸激酶 （KIT）、KRAS 原癌基因、GTP 酶 （RAS）、杰纳斯激酶 （JAK） 信号换能器和转录激活剂 （STAT） 和核因子 kappa B （NF-κB） 通路。尽管许多工作已经揭示了诱导肿瘤中IDO1表达的各种转录机制，但最近的研究表明，在某些情况下，翻译后机制也会影响IDO1的表达和活性。IDO1含有免疫感受器酪氨酸基抑制基序（ITIM1和ITIM2），它们充当不同分子伙伴的对接位点，并激活IDO1的翻译后调节IDO1的半衰期由泛素 - 蛋白酶体系统控制;然而，IDO1的具体翻译后监管机制在很大程度上仍不清楚。在目前的研究中，研究人员证明了上调的IDO1水平与CRC中免疫分数的降低有关，并且IDO1蛋白与mRNA水平之间没有相关性，这意味着IDO1的丰度和活性在CRC的翻译后调节下更有可能。此外，研究人员还鉴定出USP14，这是一种与蛋白酶体可逆相关的DUB。作为使用质谱分析的IDO1相互作用的合作伙伴。此外，USP14直接去亚基化和稳定IDO1，以保护其免受癌细胞中泛素化和蛋白酶体介导的降解。USP14已被证明可以通过修剪蛋白酶体结合底物上的K48泛素链来负调节蛋白酶体活性。例如，USP14 切割环状 GMP-AMP 合成酶 （cGAS） 的 K48 连接泛素化并抑制 cGAS 降解。TRIM21是一种E3连接酶，可诱导K48泛素化，据报道可促进DC中死盒解旋酶41（DDX41）的降解。在本文中，研究人员将TRIM21确定为促进K48泛素化和IDO1降解的关键E3连接酶，而USP14抑制TRIM21介导的IDO1的K48泛素化，从而提高IDO1的丰度。因此，这些发现确定了导致CRC细胞中IDO1高丰度和活性的翻译后机制。
图6：抑制USP14活性可增加ICB敏感性。
E3泛素连接酶和去泛素化酶（DUBs）通过泛素化和去泛素化在蛋白质稳态中起重要作用。作为与19 S蛋白酶体可逆相关的DUB，USP14通过将泛素链从其底物远端尖端切割来保护蛋白质免受降解。据报道，USP14 介导了杂乱无章 （Dvl） 的去亚比化和包含 5 个 （NLRC5） 的 NLR 系列卡域调节文特和NF-κB通路。此外，USP14直接与脂肪酸合酶（FASN）相互作用并增加其稳定性，以促进肝细胞瘤病。此外，USP14通过促进K63-连接的视黄酸诱导基因1蛋白（RIG-I）去亚比化酶促作用参与抗病毒免疫应答的抑制，IU1增强RIG-I-I触发的IL-6和TNF-α在水泡性口炎病毒（VSV）感染小鼠体内的表达。这些结果表明，USP14是RNA病毒相关疾病的潜在靶标。USP14激活通过增加细胞增殖和抑制细胞凋亡来促进肿瘤进展。重要的是，有一些研究将USP14与免疫抑制联系起来。例如，USP14还通过调节规范和非规范的NF-κB信号传导来促进细胞因子释放和自噬。此外，USP14使C-X-C基序趋化因子受体4（CXCR4）的稳定性升高并增加其在肿瘤中高度表达并在肿瘤免疫抑制中起重要作用。USP14还通过调节肽的泛素化来参与主要的组织相容性复合物I（MHC I）抗原呈递。这些研究确定了USP14在肿瘤发生和免疫调节中的潜在致癌作用。然而，USP14的直接底物和附加作用在很大程度上仍然是未知的。在目前的研究中，研究人员证明了USP14在TRP代谢和免疫抑制中的关键作用。研究人员的数据显示，IDO1是一种蛋白水解相关底物，直接与USP14相互作用。USP14的过表达有效地使CRC细胞中的IDO1脱倍和稳定，从而促进TRP代谢并抑制抗肿瘤免疫。使用MC38同源小鼠模型证实了这一观点，该模型表明USP14敲低和抑制剂均抑制肿瘤生长，增加细胞毒性T细胞的浸润，减少Tregs的浸润，并最终促进对抗PD-1治疗的反应。小分子抑制剂IU1通过破坏其泛素链缩短活性来特异性和选择性地抑制USP14。先前的研究表明，IU1通过减少宫颈癌和乳腺癌中的细胞生长和触发细胞凋亡来发挥抗肿瘤作用。在目前的研究中，研究人员证明了IU1显着降低了IDO1蛋白水平并抑制了IDO1介导的TRP代谢和免疫抑制，同时消除了IDO1抑制剂对AhR激活的“脱靶”作用。因此，临床前动物模型的结果表明，IU1还可以减弱免疫抑制，提高免疫治疗的疗效。此外，研究人员的结果表明，USP14的UBL域对于USP14和IDO1之间的相互作用是必要的。因此，靶向UBL结构域的抑制剂将特异性地消除USP14和IDO1之间的相互作用。不幸的是，这些抑制剂目前不可用。在本研究中，研究人员发现IU1，其目标是USP14的催化位点。可以有效地下调IDO1（图2l）。此外，酶死亡突变体（USP14 C114A）的过表达无法挽救IDO1水平。因此，IU1可能具有与特异性靶向UBL结构域以调节IDO1表达和IDO1相关免疫抑制的抑制剂相似的作用。然而，值得开发专门针对UBL结构域的抑制剂。
图7：USP14在CRC患者中的临床相关性。
对于大多数对ICB无反应的CRC患者，免疫治疗的临床需求仍未得到满足。IDO1是一种重要的先天免疫调节剂，通过触发TME中的TRP代谢起作用。靶向IDO1代表了ICB以外的癌症免疫治疗的机会。然而，IDO1抑制剂在最近的临床试验中遭受了重大挫折。这种负面结果的原因尚不清楚。最近的研究表明，TRP相关的IDO1抑制剂可能具有潜在的脱靶效应。这种作用主要是因为这些化合物（包括1-MT，依帕卡多他，纳沃昔莫德和诺哈曼）有效地激活AhR介导的信号传导，随后免疫抑制和IDO1表达的上调。AhR可以被色氨酸代谢物激活，如KYN，6-甲酰基林多咔唑（FICZ，TRP的光产物）和凯娜。例如，AhR通过产生吲哚代谢物吲哚-3-丙酸（I3P）和KYNA被IL4I1激活。IDO1抑制剂不阻断IL4I1;因此，IL4I1活性可能部分解释了IDO1抑制临床研究的失败。此外，AhR被蛋白激酶C（PKC）磷酸化并激活。1-甲基-D-色氨酸 （D-1MT） 是一种有效的 TRP 模拟物，可恢复 IDO 介导的 TRP 剥夺细胞中的 PKC 活性。这些数据表明，IDO1 抑制剂也可能通过激活 PKC 来激活 AhR。然而，AhR激活并不是被认为是IDO1抑制剂在癌症治疗中失败的唯一原因。TRP相关的IDO抑制剂模仿TRP，因为虚假的营养信号可能会激活体细胞中的mTOR信号传导。缺乏有效的IDO1抑制的其他原因可能是剂量限制性毒性和药物水平太低而无法抑制体内IDO1活性。此外，小分子抑制剂的肿瘤穿透性也值得讨论。据报道，IU1可以抑制皮下肿瘤的生长，表明IU1有利于小鼠的肿瘤组织渗透。
总之，研究人员证明IU1显着降低了IDO1蛋白水平并抑制了IDO1介导的TRP代谢和免疫抑制，同时消除了IDO1抑制剂对AhR激活的脱靶效应。因此，研究人员临床前动物模型的结果表明，通过IU1抑制USP14可能是有效抑制IDO1介导的免疫抑制和提高免疫治疗效果的有希望的替代方法。通常，USP14是癌症治疗的有前途的药物靶点，特别是在IDO1表达高的患者中。因此，通过USP14抑制靶向IDO1稳定代表了一种潜在的免疫治疗策略以及与CRC中ICB试剂的组合策略。
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