N6-甲基腺苷(m6A)是RNA最丰富的表观遗传修饰,m6A的失调驱动异常的转录和翻译,促进癌症的发生和发展。虽然m6A引起的基因调控缺陷经常影响致癌和肿瘤抑制网络,但m6A也可以调节肿瘤的免疫原性和参与抗肿瘤反应的免疫细胞。理解这一概念有助于设计针对m6A的新药,以改善癌症免疫治疗的结果。在这里,作者提供了一个最新的和全面的概述:m6A修饰如何内在地影响免疫细胞,以及肿瘤细胞m6A修饰如何外在地影响肿瘤微环境(TME)中的免疫细胞。作者还总结了调节内源性抗肿瘤免疫的策略,并讨论重塑TME有哪些挑战。
文献解读:
RNA m6A的修饰过程由三种酶动态和可逆地调节:m6A甲基转移酶(“writers”)、m6A去甲基酶(“erasers”)和m6A结合蛋白(“readers”)。这些酶共同参与了RNA的正常表达和翻译在图1中,作者描述了这样的动态过程。如图1,m6A甲基化复合物由核心甲基转移酶样蛋白3(METTL3)及其它的甲基转移酶(writer)组成,将m6A添加到细胞核中的靶RNA上(图1,①)。而两种主要的m6A去甲基化酶(eraser)脂肪质量和肥胖相关蛋白(FTO)和alkB同源物5(ALKBH5),可以清除细胞核中的甲基化修饰(图1,②)。m6A被不同的“readers”识别,如YTHDC1、HNRNPC/G和HNRNPA2B1,它们介导各种转录后过程,包括细胞核中的RNA剪接和miRNA处理(图1,③)。还有在细胞质中,m6A与不同的特异性reader蛋白结合,如IGF2BPs、PRRC2A、YTHDF1/2/3和YTHDC2,它们介导mRNA的稳定性、翻译和衰变(图1,④)。
众所周知,固有的m6A修饰通过靶向不同癌症中的特定基因来调节肿瘤细胞的命运。
NK细胞:METTL3(a writer)和YTHDF2(a writer)分别针对Ptpn11、STAT5或TARDBP,正向调节NK细胞的存活和抗肿瘤免疫。
巨噬细胞:具体地说,TME中的肿瘤相关巨噬细胞(TAM)非常具有可塑性的,能够在不同的环境刺激下切换功能以抑制或促进肿瘤进展。巨噬细胞中的METTL3通过靶向IRAKM(TLR4的抑制剂)或Spred2(ERK途径的抑制剂),促进促炎细胞因子的产生,如TNF-α和IL-6,从而重塑TME并抑制肿瘤的进展。METTL14介导的m6A甲基化促进巨噬细胞中Ebi3的降解,促进CD8+T细胞活化,抑制肿瘤生长。
树突状细胞(DC):DC中的YTHDF1可增强编码蛋白酶的mRNAs的翻译,该酶可降解溶酶体内的抗原。没有YTHDF1,溶酶体蛋白水解酶的翻译减弱,有利于抗原交叉呈递,并促进更多CD8+T细胞对肿瘤的反应。
CD4+T细胞:在CD4+T细胞中,METTL3抑制SOCS家族蛋白(SOCS1、SOCS3和CISH)的表达,从而抑制JAK,增强IL-7介导的JAK/STAT5的激活,最终促进CD4+T细胞的动态平衡和分化。METTL3还可降低Tcf7mRNA的稳定性,促进T滤泡辅助细胞(Tfh)调节因子的表达,从而促进Tfh细胞的功能成熟。ALKBH5减少m6A对干扰素-γ和C-X-C基序趋化因子配体2 mRNA的修饰,增加其mRNAs的稳定性,促进其蛋白在T细胞中的表达。
调节性T(Treg):Treg细胞中的METTL3通过m6A修饰降低Socs mRNA的稳定性。这激活了IL-2/STAT5信号,抑制了T细胞效应细胞因子的分泌,降低了TME中效应T细胞(如CD8+T细胞)的抗肿瘤反应。
TME在肿瘤进展中起重要作用,并显著影响免疫治疗的效果。近年来,越来越多的证据表明,肿瘤细胞中的m6A修饰与免疫细胞反应和免疫检查点阻滞剂(ICBS)的疗效有关。肿瘤细胞中m6A修饰的改变影响TME中免疫细胞的浸润、激活和功能,这使靶向m6A——尤其是靶向肿瘤细胞中的m6A调节因子——成为改进癌症免疫治疗的一种有前途的治疗方式。下表是作者精心帮我们整理出来的m6A修饰在重塑肿瘤微环境中的作用。
最近的研究揭示了微生物群和RNA修饰之间的相互作用。全转录组测序分析表明,微生物组对m6A修饰有很强的影响。由于缺乏微生物群的暴露,无菌(GF)小鼠大脑和肠道中m6A基因的修饰高于无特定病原体(SPF)小鼠。另一项研究报告,GF小鼠和SPF小鼠在盲肠中有不同的甲基化高峰,这主要与代谢和炎症途径有关。一些特定的微生物物种,如Akkermansia
muciniphila和Lactobacillus plantarum,可以直接改变mono-associated小鼠 (只有一个微生物物种定居的动物)的特定m6A修饰。目前,m6A与肠道微生物群在肿瘤发生发展中的关系尚不清楚。据报道,SARS-CoV-2等病毒感染可诱导宿主细胞mRNA的m6A修饰,从而影响宿主对病毒感染的免疫防御。因此,更好地研究肠道微生物与宿主m6A的相互作用可为开发抗癌创新疗法提供新的策略。
如上文所述,m6A调节因子,如METTL3、YTHDF1和YTHDF2,通过不同的方式参与抗肿瘤免疫的调节。当然,肿瘤细胞中m6A调节因子的异常表达也可能会导致免疫抑制TME,进一步加速癌症进展。因此,靶向m6A修饰的目的主要有:1)直接抑制肿瘤细胞生长。2)增强免疫细胞的抗肿瘤能力,如通过增强CD8+T细胞和NK细胞的细胞毒作用。3) 通过将M2 TAMs重新编程为M1 TAMs来重塑TME。在这里,作者讨论了针对m6A修饰用于癌症免疫治疗的策略和挑战。
m6A调节因子的特异性抑制剂以增强内源性抗肿瘤免疫
人们认识到,大多数m6A调节因子在肿瘤细胞中异常高表达。近年来,针对m6A调节因子(如FTO、ALKBH5、METTL3等)的一系列小分子抑制剂相继问世,其中FTO是最具吸引力的靶点。2012至2019年间,研究人员开发并鉴定了一系列FTO抑制剂,如大黄酸、MO-I-500、甲氯芬酸(MA)、荧光素、2-羟基戊二酸(R-2HG)、FB23和FB23-2,它们在体外和体内都显示出显著的抗肿瘤作用(表二)。
从2020年到现在,FTO抑制剂不断升级优化,包括CS1/CS2和Dac51,它们不仅可以抑制癌细胞增殖和癌症干细胞的自我更新,而且还可以提高抗肿瘤免疫(图3)。如图3所示,肿瘤细胞中m6A调节因子的抑制剂间接增加T细胞的转运,减少免疫抑制。
建立一种有效的ACT(adoptive cell therapy)m6A修饰系统
作者的实验室和另一个小组发现,在小鼠中,m6A调节因子METTL3和YTHDF2及其相应的靶基因Ptpn11(编码SHP-2)和TardBP(编码TDP-43)与NK细胞的效应功能和增殖相关。通过慢病毒或逆转录病毒介导的METTL3、SHP-2或YTHDF2的过表达,TardBP的敲除或基因编辑METTL3来操纵靶基因Ptpn11 mRNA位点上的m6A甲基化,这可能会改善NK细胞的效应功能和增殖能力(图4)。目前还没有人通过m6A调节剂来增强体外培养的人NK细胞的增殖和细胞毒作用。由于m6A调控位点在人类和小鼠之间高度保守,这样的研究可能有助于产生更多的CAR NK细胞和IPSC来源的NK细胞。除了CAR NK细胞和IPSC来源的NK细胞疗法外,CAR T细胞疗法是临床上最成功的癌症免疫疗法之一。如上所述,m6A调节因子,如ALKBH5和METTL3,及其靶向基因影响T细胞功能(图2D)。因此,调节CAR T细胞中的m6A修饰也可能是一种潜在的增强抗肿瘤免疫反应的策略。
纳米颗粒(NPs)平台已成为癌症治疗的有前途的载体。近年来,科学家们已经开发出能够准确有效地将mRNAs、siRNAs和药物(基于蛋白质)输送到肿瘤细胞中的NPs。最近在肝细胞癌中的研究发现,METTL3可以通过m6A修饰稳定长链非编码RNA-LINC00958,而LINC00958的异常过表达会加速肝细胞癌增殖。此外,将NP包裹的LINC00958 siRNA特异性地运送到TME中的肿瘤细胞中,减少了LINC00958中m6A的修饰,并抑制了肝癌的进展。最近的研究发现,巨噬细胞中的METTL14、METTL3及其靶基因Spred2和IRAKM与肿瘤进展有关。因此,靶向地将NP包裹的Mettl3、Mettl14、Spred2的mRNA或Irakm的siRNA导入TAMs,可以促进TAM极化,减少Treg细胞的浸润,促进CD8+T细胞的细胞毒功能,逆转TME中的免疫抑制(图5)。
那么我们可以从哪些思路研究RNA m6A修饰在肿瘤免疫中发挥的作用呢?
在原发性肿瘤和转移性肿瘤中发现的癌相关成纤维细胞(CAF)是一种高度可塑的、弹性的细胞,通过与肿瘤微环境中其他细胞类型的复杂相互作用积极参与癌症进展。除了产生有助于肿瘤基质结构和功能的细胞外基质成分外,CAF还经历表观遗传变化,产生影响肿瘤血管生成、免疫学和代谢的分泌因子、外体和代谢物。由于其假定的促癌功能,CAF长期以来被认为是一个有吸引力的治疗靶。考虑到CAFs介导肿瘤侵袭的多种方式,m6A修饰在调节CAFs分泌功能中的作用还有非常大的研究空间。
肿瘤新血管形成的过程,是通过肿瘤的整个细胞组成部分的感应信号的组合和输出来进行的。在肿瘤血管生成中,激活的许多基因和信号通路与发育的血管生长具有相同的作用,但它们缺乏反馈调节控制,并且受到炎症细胞和缺氧的高度影响。因此,肿瘤血管是异常的、脆弱的和高渗透性的。因为周细胞和血管平滑肌细胞 (VSMC)都减少。VSMCs 通过维持血管内皮细胞(VECs)的增殖和稳定性促进血管成熟,并通过分泌血管内皮生长因子(VEGF)促进 VEC 存活。此外,除了肿瘤细胞释放的促血管生成因子(VEGF、TNF-α、TGF-β、PDGF、CXCL12、IL-8/CXCL8)外,VEC 的存活和增殖还受到 TME 中基质细胞分泌因子的调节,如MMP、ROS。经过我的检索,我发现目前研究的文章还不是很多。比如说METTL3 的敲低显著激活 Notch 信号并影响人 VEC 的血管生成,并且与异二聚体 Notch E3 泛素连接酶的表达下调有关。值得注意的是,最近有报道称 METTL3 介导的 m6A 修饰可正向调节 VEGF 表达。而VEGF 能够与内皮细胞上的 VEGFR2结合,使内皮细胞之间的相互联系松散,周细胞覆盖率降低。VEGF被认为是肿瘤血管生成中促进肿瘤转移的最强和最丰富的特异性血管生长因子。这些发现表明,m6A 可显著调节 VEGF 表达,这一研究提供了肿瘤血管生成调节的潜在方向。此外,TME 血管生成细胞中 m6A 影响 VEGF 或其他受 m6A 调节影响的关键基因的具体机制,如 Notch信号,也很值得研究。
N6-甲基腺苷(m6A)甲基化是真核生物中最常见的RNA内部修饰形式。m6A在正常和异常的生物过程中发挥着多功能的作用,其作用可能因m6A基序的位置而发生很大的变化。程序性细胞死亡(Programmed cell death, PCD)包括凋亡(apoptosis)、自噬(autophagy)、焦亡(pyroptosis)、坏死(necroptomsis)和铁死亡(ferroptosis),其中大部分涉及到质膜的破坏。自从m6A通过调节基因表达首次在细胞凋亡中被发现以来,越来越多的研究提出m6A与几乎所有类型的程序性细胞死亡通路相互作用。在肿瘤中,m6A与肿瘤细胞和非肿瘤细胞凋亡、自噬、焦死、以及铁死亡的关系。毫无疑问,m6A和程序性细胞死亡通路的也是大家关注的焦点之一。
间充质干细胞是自我更新的多能干细胞,它可调节参与抗肿瘤免疫的所有免疫细胞的表型和功能。作为可塑性细胞,它可根据邻近肿瘤浸润免疫细胞的细胞因子决定其表型和功能。根据其所暴露的肿瘤微环境,获得促肿瘤和抗肿瘤表型,从而增强或抑制肿瘤生长。MSC 和 TME 之间的相互作用很复杂。一方面,MSCs可以作为抗原呈提细胞(APCs),通过激活肿瘤适应性免疫反应直接抑制肿瘤细胞的生长;另一方面,MSCs也以其强大的分化增殖能力参与TME的构建,抑制所有主要类型免疫细胞的激活,有助于肿瘤细胞的逃逸。
迄今为止,m6A 修饰对 MSCs 的影响已在肿瘤转移部位进行了初步研究,但尚未在原发 TME 中进行。最近报道了 m6A 修饰参与 BMSCs 向成骨细胞的分化机制。在大鼠成骨诱导过程中,BMSCs 中 METTL3 上调,METTL3的敲低抑制分化,这与 AKT 信号传导中磷酸化的显著降低密切相关。此外,大量的 BMSCs 也可以被募集到肿瘤部位,参与 TME 的重塑,甚至通过与 TME 的复杂相互作用直接转化为肿瘤细胞。我觉得m6A 甲基化对 TME 中 MSC的影响会是一个潜在的热点。
全文总结:
尽管近年来对肿瘤中m6A修饰的生物学后遗症进行了广泛的研究,但开发基于m6A的肿瘤免疫治疗靶向药物的策略仍处于起步阶段。总体而言,m6A的修饰是动态和可逆的,其许多调节因子尚未被发现。靶向m6A修饰用于癌症免疫治疗是具有挑战性的。因此,更好地理解这一过程并准确控制其毒性作用仍然是值得进一步研究的重大挑战。从这一角度出发可以发现很多高质量思路。
参考文献
1. Li X, Ma S, Deng Y, Yi P, Yu J. Targeting the RNA m(6)A modification for cancer immunotherapy. Mol Cancer Mar 16 2022;21(1):76.doi:10.1186/s12943-022-01558-0 .