NEJM:PD-1/PD-L1通路的分子结构介绍

日期: 2016年11月16日


    

NEJM:PD-1/PD-L1通路的分子结构及其调节T细胞功能的机制的介绍/程序性死亡受体-1(programmed cell death protein-1,PD-1 /CD279)是重要的免疫检查点,通过与其两个配体PD-L1(B7-H1/CD274)和PD-L2(B7-DC/CD273)的作用而抑制T细胞的活化及细胞因子的产生,在维持机体的外周耐受上发挥至关重要的作用。利用抗PD-1/PD-L1 的单克隆抗体阻断PD-1/PD-L1信号通路,在多种实体瘤中显示出卓越的抗肿瘤疗效。

 

为避免过度活跃的免疫应答导致过度的炎症反应和自身免疫性疾病,人体进化出免疫检查点(immune checkpoint)机制来控制免疫反应的强度和持续时间,最大限度地减少免疫应答对健康组织的损害。

 

抑制免疫检查点活性,达到抗肿瘤的作用

 

免疫检查点本是人体免疫系统中起保护作用的分子,起类似刹车的作用,防止T 细胞过度激活导致的炎症损伤等。而肿瘤细胞利用人体免疫系统这一特性,通过过度表达免疫检查点分子,抑制人体免疫系统反应,逃脱人体免疫监视与杀伤,从而促进肿瘤细胞的生长。目前研究和应用最广泛的免疫检查点抑制剂包括CTLA-4、PD-1 以及其配体PD-L1 的抑制剂。免疫检查点抑制剂治疗通过抑制免疫检查点活性,释放肿瘤微环境中的免疫刹车,重新激活T 细胞对肿瘤的免疫应答效应,从而达到抗肿瘤的作用。

 

T细胞的完全活化依靠“双信号”系统调控:第一信号来自其TCR(T细胞受体)与MHC(主要组织相容性复合体)的特异性结合,即T细胞对抗原识别;第二信号来自协同刺激分子,即抗原递呈细胞(APC)表达的协同刺激分子与T细胞表面的相应受体或配体相互作用介导的信号,如CD28/B7是重要的正性共刺激分子。此外为保证T细胞不被过度刺激,还有调节T细胞的负性共刺激分子,主要有CTLA4-B7通路和PD-1/PD-L1通路。肿瘤细胞入侵后,会利用这一抑制性的通路来压制T细胞激活,从而逃脱免疫系统的围剿。而目前临床上研究和应用最广泛但免疫检查点抑制剂包括CTLA-4、PD-1和PD-L1单抗,通过抑制免疫检查点活性,释放肿瘤微环境中的免疫刹车,重新激活T 细胞对肿瘤的免疫应答效应,从而达到抗肿瘤的作用。

 

T细胞受体

图1. T细胞表面的主要刺激性和抑制性受体

 

PD-1和PD-L1/2的表达

 

PD-1是一个诱导表达的蛋白,即T细胞在未被激活的时候是几乎没有PD-1的表达的,只有在T细胞活化之后,PD-1才会被诱导表达。除了在活化成熟的T细胞上有表达,PD-1还在胸腺的双阴性(CD4—CD8—)T细胞、活化的NK细胞、单核细胞和未成熟的朗格汉斯细胞上呈低表达。

 

PD-1的配体包括PD-L1和PD-L2,两者表现为不同的表达模式。PD-L1组成性的低表达于抗原递呈细胞(APCs)、以及非造血细胞如血管内皮细胞、胰岛细胞以及免疫豁免部位(如胎盘、睾丸和眼睛)。炎性细胞因子如I型和II型干扰素、TNF-α和VEGF等均可以诱导PD-L1的表达。PD-L2只在被激活的巨噬细胞和树突细胞中有表达。

 

PD-1的结构及其介导的抑制性信号

 

PD-1属于CD28家族成员,与毒性T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)有20%的同源性。PD-1是由268个氨基酸组成的I型跨膜糖蛋白,它的结构(图2)主要包括胞外免疫球蛋白可变区(IgV)样结构、疏水的跨膜区以及胞内区。胞内区尾部有2个独立的酪氨酸残基,氮端的酪氨酸残基参与构成一个免疫受体酪氨酸抑制基序(immunoreceptor tyrosine based inhibitory motif,ITIM),碳端酪氨酸残基则参与构成一个免疫受体酪氨酸转换基序(immunoreceptor tyrosine based switch motif ,ITSM)。PD-1 与PD-L1在激活的T细胞结合后,促使PD-1 的ITSM结构域中的酪氨酸发生磷酸化,进而引起下游蛋白激酶Syk和PI3K的去磷酸化,抑制下游AKT、ERK等通路的活化,最终抑制T细胞活化所需基因及细胞因子的转录和翻译,发挥负向调控T细胞活性的作用。

 

PD-1结构

图2. PD-1的结构示意图

 

肿瘤细胞如何通过PD-1/PD-L1通路实现免疫逃逸

 

肿瘤细胞及肿瘤微环境通过上调PD-L1表达并与肿瘤特异的CD8+T细胞表面的PD-1结合,来限制宿主的免疫反应。肿瘤细胞主要通过以下途径上调PD-L1表达:1. EGFR、MAPK或PI3K-Akt通路的激活,STAT3蛋白高表达和HIF-1转录因子等均可以上调PD-L1的表达;2. 编码PD-L1的基因扩增(9p24.1);3. EB病毒的诱导(EB病毒阳性的胃癌和鼻咽癌,没有9p24.1基因扩增,也可以表现为PD-L1的高表达);4. 表观遗传学的机制等。

 

在肿瘤微环境中,炎症因子的刺激同样可以诱导PD-L1和PD-L2的表达,其中Υ-干扰素是最重要的刺激因子。除作用于肿瘤细胞,还可以诱导肿瘤微环境中其他细胞,包括巨噬细胞、树突状细胞和基质细胞表达PD-L1和PD-L2;而能够识别肿瘤抗原的,活化肿瘤浸润性T淋巴细胞则是Υ-干扰素的重要产生者,这一过程被称为“适应性免疫抵抗”,通过这一机制,肿瘤细胞实现自我保护。图3显示了肿瘤细胞如何通过PD-1/PD-L1信号通路抑制肿瘤特异性T细胞功能。

 

T细胞功能抑制

图3. PD-1/PD-L1信号通路介导的肿瘤特异性T细胞功能抑制

 

因为PD-1仅在活化的T细胞表达,因此PD-1/PD-L1/2的抑制性信号仅作用于已经识别肿瘤抗原并产生肿瘤特异性反应后的T细胞,即PD-1/PD-L1/2通路介导的是“肿瘤特异性的T细胞选择性抑制”。应用PD-1免疫检查点抑制剂后,可以引发肿瘤浸润性CD8+T细胞的寡克隆扩增,这类细胞可以识别由于肿瘤非同义突变产生的肿瘤新抗原。这一理论已在临床试验中得到验证。在对PD-1单抗有疗效的转移性黑色素瘤患者,接受PD-1单抗治疗后,肿瘤组织中PD-1+CD8+ T细胞数目显著增加,且T细胞数目的增加与患者的疗效相关。这类PD-1+CD8+ T细胞均含有寡克隆的T细胞受体表位,对Υ-干扰素介导的信号起作用。这一研究结果也验证了之前的结论---即PD-1+CD8+ T细胞的功能被PD-1介导的抑制性信号阻断,应用PD-1抑制剂后,这一阻断为解除,T细胞功能得以恢复。

 

免疫检查点抑制剂的疗效预测因子

 

全基因组测序显示,每一个肿瘤均含有成百上千个非同义的体细胞突变,肿瘤的突变负荷是影响免疫检查点抑制剂的重要决定因素。这些肿瘤特异性的体细胞突变可以产生新抗原,称之为“neo-antigens”,是T细胞的重要识别位点。在快速增殖的肿瘤中,存在neo-antigens特异的T细胞,但这些T细胞受免疫检查点抑制剂的阻断,不能有效的执行杀伤肿瘤细胞的功能,只有在被解除阻断后,T细胞才能恢复功能。在免疫检查点抑制剂的前期的临床试验中已经观察到,高的非同义突变负荷预示着更好的疗效。

 

参考文献:

V. A. Boussiotis, “Molecular and Biochemical Aspects of the PD-1 Checkpoint Pathway,” N Engl J Med, vol. 375, no. 18, pp. 1767-1778, 2016.

 

备注:原文转自肿瘤资讯《【NEJM】带你一文读懂PD-1/PD-L1通路》 由"赛业生物(www.cyagen.com)"整理发布

 

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