【Gene of the Week】免疫治疗热门靶点CTLA-4

想获得国自然选题思路，提高国自然基金申请命中率？想调整研究方向，获得学术研究突破口？有机会发高分文章？你需要了解学科发展态势和未来走向！赛业生物专栏《Gene of the Week》每周会根据热点研究领域介绍一个基因，详细为您介绍基因基本信息、研究概况和应用背景等，助您保持学术研究敏锐度，提高科学研究效率，期待您的持续关注哦。今天我们要讲的主角是经典的免疫检查点蛋白——CTLA-4。

CTLA-4（细胞毒性T淋巴细胞抗原4；也称为CD152）是免疫球蛋白家族的成员，在小鼠体内是由Ctla-4基因编码，在人体内是由CTLA4基因编码的一种跨膜蛋白，主要表达在活化T细胞表面，特别的是，它在调节性T细胞（Treg）中组成型表达。

CTLA-4与上周我们提到的CD28具有高度同源性，而且它们有着相同的配体CD80（也称为B7-1）和CD86（也称为B7-2），但是它们的功能截然相反。CD28属于共刺激性（co-stimulatory）免疫检查点，负责向T细胞传递激活信号，促进T细胞分化、增殖为效应细胞；CTLA-4属于共抑制性（co-inhibitory）免疫检查点，负责向T细胞传递抑制信号，抑制T细胞的活性。特别的是，CTLA-4与CD80/CD86的亲和力更高，可竞争和阻断CD28对T细胞的激活作用（图1）。除此之外，与共抑制性免疫检查点PD-1不同（肿瘤细胞会通过高表达其配体PD-L1和PD-L2来实现免疫逃逸），CTLA-4的配体CD80/CD86主要表达在APC表面，而在多数的肿瘤组织及细胞中低表达或不表达。

图1. CTLA-4是一种跨膜蛋白[1]，它与CD28有相同的配体CD80（B7-1）和CD86（B7-2）。CTLA-4与CD80/CD86的亲和力更高，可竞争和阻断CD28和其配体的结合，从而抑制CD28对T细胞的激活作用。

作为一个经典的免疫检查点蛋白，靶向CTLA-4的抗体药物研究十分热门。但是，目前美国FDA批准上市的CTLA-4免疫检查点抑制剂只有一种：Ipilimumab（伊匹单抗，商品名Yervoy，也称为Y药），由百时美施贵宝（Bristol-Myers Squibb，BMS）公司研发，用于治疗晚期转移性黑色素瘤。

此外，值得一提的是目前还有一款由阿斯利康（AstraZeneca）公司研发的靶向CTLA-4的候选药物：Tremelimumab（替西木单抗）。这款候选药物的临床研究进展异常曲折：2015年由FDA授予治疗恶性间皮瘤（malignant mesothelioma，MM）的孤儿药地位；2017年宣布III期临床研究MYSTIC失败；2019年宣布III期临床研究NEPTUNE失败；2020年2月又由FDA授予治疗肝细胞癌（Hepatocellular carcinoma, HCC）的孤儿药资格; 同年3月又宣布另一项III期临床研究DANUBE失败。由衷希望2021年能听到一些好消息，为肿瘤患者们带来新希望。

除此以外，近期，目前流行的CTLA-4免疫抑制剂作用机制也受到了挑战（图2）。2018年，美国马里兰大学的Yang Liu教授和Zheng Pan教授团队提出质疑[2]： 抗CTLA-4抗体可能是通过由巨噬细胞介导的抗体依赖性细胞介导的吞噬作用（Antibody-dependent cellular phagocytosis，ADCP）或由NK细胞介导的抗体依赖的细胞毒性（Antibody-dependent cellular cytotoxicity，ADCC）来选择性的清除肿瘤细胞中的免疫抑制性的调节性T细胞（图3）。

图2. 目前流行的CTLA-4免疫抑制剂作用机制：阻断CTLA-4免疫检查点导致了抗肿瘤免疫效果。T细胞活化需要双重信号。信号1来源于APC上的抗原-MHC复合物与T细胞上的TCR结合；信号2来源于APC上的B7分子（CD80或CD86）与T细胞上的共刺激性受体CD28结合。活化的T细胞上调其细胞表面CTLA-4的表达。而共抑制性受体CTLA-4与CD80/CD86的亲和力更强，它与CD28竞争配体CD80/CD86，并抑制T细胞的活性，为T细胞的激活踩下“刹车”。抗CTLA-4抗体被认为松开了对初始T细胞的“刹车”，并准许它们在淋巴结中被激活，然后迁移到肿瘤部位对肿瘤细胞进行杀伤。

图3. 新的CTLA-4免疫抑制剂作用机制：选择性清除肿瘤微环境中的调节性T细胞（Treg）导致了抗肿瘤免疫效果。肿瘤中调节性T细胞表达高水平的CTLA-4蛋白，因此抗CTLA-4抗体可能是通过由巨噬细胞介导的抗体依赖性细胞介导的吞噬作用（Antibody-dependent cellular phagocytosis，ADCP）或由NK细胞介导的抗体依赖的细胞毒性（Antibody-dependent cellular cytotoxicity，ADCC）来选择性的清除这些Treg。阻断CTLA-4与其配体CD80/CD86的结合对有效清除肿瘤中的Treg来说并不是必需的。

综上，CTLA-4蛋白在抑制T细胞活性中具有重要作用，针对它的免疫抑制剂是目前上市的三类免疫检查点抑制剂之一（另外两类是PD-1和PD-L1免疫检查点抑制剂）。此外，这些药物还在不断扩大其适应症，并与其他肿瘤免疫药物进行联用以提高疗效（例如CTLA-4抗体与PD-1抗体联合免疫疗法、CTLA-4抗体与以IL-13Rα2为靶点的CAR-T细胞联合免疫疗法），但关于CTLA-4免疫抑制剂的具体作用机制还有待进一步研究。

参考文献：

[1] https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/tuning-immune-response-with-costimulation.

[2] Tang F., et al. Anti-CTLA-4 antibodies in cancer immunotherapy: selective depletion of intratumoral regulatory T cells or checkpoint blockade? Cell & Bioscience 8: 30 (2018).

赛业生物CTLA-4人源化小鼠，助力肿瘤研究

品系背景：C57BL/6N

品系构建策略：

在小鼠基因组上的Ctla-4基因位点敲入人源CTLA-4胞外区域编码序列，使其能够表达：a）嵌合型Ctla-4蛋白（人源胞外结构域和鼠源胞内结构域）和b）可溶性嵌合体蛋白（人源胞外结构域）。

品系说明：

• CTLA-4基因的胞外域完全被人源化。
• hCTLA-4在小鼠体内表达具有正常的生理表达和调节模式。
• 保留了小鼠CTLA-4胞内结构域，保证了正常的胞内信号转导。
• 小鼠的免疫系统功能健全。
• 缺乏小鼠靶基因的表达，从而避免交叉反应。

研究应用：

hCTLA-4小鼠能够在完全具有免疫能力的小鼠中进行针对人类免疫检查点CTLA-4的免疫肿瘤学药物的体内疗效评估和分析。您也可以委托赛业生物构建条件性基因敲除CTLA-4小鼠对药物的靶向性和毒性进行组织特异性评估。

模型验证：

图4. CTLA-4小鼠中各类免疫细胞（T细胞、B细胞、NK细胞、DC细胞、单核细胞）与WT小鼠的各类免疫细胞的比例接近，小鼠免疫细胞功能正常。

图5. hCTLA-4的功能：α-human CTLA-4单抗下调，hCTLA-4小鼠Treg对效应T细胞的抑制。

用CFSE标记分离的CD4⁺CD25^-T细胞（效应T细胞），并用可溶性αmCD3和APC ^+/-（CD4⁺CD25⁺）Treg和CTLA-4抗体激活。（A）流式细胞术检测CFSE稀释；（B）通过ELISA在上清液中测定IL-2的产生。

图6. hCTLA-4在hCTLA-4小鼠体内的表达模式与野生型小鼠中mCTLA-4的表达模式一致。

hCTLA-4和mCTLA-4在αCD3活化的脾细胞表达情况。hCTLA-4小鼠模型和野生型小鼠上表达的（A）Treg亚群（CD3⁺CD4⁺CD25⁺Foxp3⁺)，（B）传统CD4⁺（CD3⁺CD4⁺）和（C）CD8⁺（CD3⁺CD8⁺）T细胞。

图7. 在CTLA-4人源化小鼠中，CTLA-4单抗（Ipilimumab）具有抗肿瘤活性。

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