文献解读│Cell重磅癌症免疫疗法新靶点——IL4I1
日期：2020-09-25 11:44:00
研究背景及目的
AHR也被称为二恶英受体，能介导二恶英的毒性作用。人体自身的代谢产物也能激活这一受体，由吲哚胺-2,3双加氧酶1/2（IDO1/2）或色氨酸-2,3-双氧合酶（TDO2）驱动的犬尿氨酸（Kyn）途径被认为是人体内主要的色氨酸（Trp）分解代谢途径，产生AHR激动剂Kyn和犬尿喹啉酸（KynA）。IDO1抑制剂联合抗PD1单抗的免疫疗法III期临床试验失败，说明体内还存在其它的Trp代谢酶（IDO1和TDO2除外）激活AHR。研究人员开发了一种AHR泛组织信号，用于全面了解各种肿瘤类型中AHR的活性及其上游的调控分子。
结论
Trp代谢酶IL4I1生成的吲哚代谢物和KynA能激活AHR。IL4I1与胶质瘤患者存活率降低相关、促进肿瘤细胞迁移、抑制获得性免疫应答、促进小鼠模型中慢性淋巴细胞白血病（CLL）恶化。免疫检查点阻断（ICB）诱导IDO1和IL4I1的表达。IL4I1可能是IDO1抑制剂联合ICB临床试验失败的原因。因而，IL4I1阻断剂为癌症治疗开辟了新途径。
结果
1.AHR泛组织信号适用于检测不同组织类型中AHR响应各种配体的活性，IL4I1与AHR活性的关联较IDO1或TDO2更为频繁。
研究者采取基因表达分析和自然语言处理（NLP）相结合的方法开发了一套AHR泛组织信号。一方面，研究者汇总了多个细胞类型经AHR激动剂或抑制剂处理后所产生的基因表达数据，还囊括了具有AHR启动子结合位点的基因数据。另一方面，研究者用NLP法提取了医学文献中与AHR调控有关联的基因名。这两组数据的交集，也就是166个受AHR调控的基因，被看作是AHR泛组织信号。GO富集分析表明这些基因代表了由AHR调节的主要细胞功能，包括药物代谢、迁移和免疫调节。在不同细胞类型和不同配体组合的数据集中验证AHR信号的可靠性，利用qRT-PCR检测胶质母细胞瘤（GBM）U-87MG细胞中AHR激活/敲低状态下部分信号基因的表达，结果表明在不同细胞类型中AHR信号均能检测到AHR响应各种配体的活性。
根据IDO1或TDO2的表达水平将32种TCGA肿瘤类型分为高表达和低表达组，多数肿瘤类型中，任一酶高表达组的AHR信号也得到增强。加权基因共表达网络分析（WGCNA）32个TCGA肿瘤类型中IDO1或TDO2的表达与AHR活性的相关性，23个肿瘤类型中IDO1和TDO2被分组到与AHR活性正相关的基因模块（AAM），9种癌症类型的AAM中没有IDO1和TDO2，说明有其它酶激活AHR。因此，研究者WGCNA分析了32个癌症类型中所有色氨酸（Trp）降解酶（TCE）与AHR的相关性，发现实际上L-氨基酸氧化酶IL4I1在AAM中出现频率最高，高于其它TCE。
2.IL4I1可激活AHR、促进肿瘤细胞迁移、抑制T细胞增殖、并与胶质瘤患者存活率降低相关。
研究者研究了低内源IL4I1 GBM细胞（AHR正常型U-87MG和AHR缺陷型U-251MG）中过表达IL4I1和高内源IL4I1 GBM细胞中敲低IL4I1对AHR活性的影响。发现U-87MG中过表达IL4I1诱导增强了AHR信号，这一现象可被AHR敲低所逆转。此外，IL4I1衍生的代谢物也能激活AHR，增强其核转移并启动靶基因转录。相反，IL4I1下调使AHR信号减弱。下调AHR后IL4I1的表达被抑制，说明IL4I1本身是AHR靶基因。CAS-1细胞中沉默IL4I1基因能下调AHR靶基因TIPARP的表达，而沉默TDO2对TIPARP无明显影响，说明IL4I1直接对AHR进行调控，与TDO2无关，且IL4I1在这些细胞中是更有效的AHR激活酶。
过表达IL4I1增强U-87MG迁移能力，其可被AHR抑制子SR1逆转。过表达IL4I1对AHR缺陷型细胞迁移能力无影响。与对照组相比，过表达IL4I1细胞的上清液可抑制外周血单核细胞（PBMC）T细胞和CD8+ T细胞的增殖，同时诱导CD8+ T细胞中AHR靶基因TIPARP和CYP1B1的表达。生存率分析表明高水平的IL4I1与GBM和低分型胶质瘤（LGG）患者总体生存率降低显著相关。与IL4I1低表达组相比，IL4I1高表达的GBM和LGG患者均表现出升高的AHR活性，证实IL4I1与神经胶质瘤中AHR活性和患者生存期密切联系。
3.吲哚-3-丙酮酸（I3P）是介导IL4I1驱动的AHR活化和肿瘤恶化的关键代谢产物。
在体内代谢过程中，IL4I1催化苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和Trp分别转化为PP、HPP和I3P。分别将这些代谢产物处理AHR正常型细胞，PP和HPP不诱导AHR靶基因的表达，但I3P AHR依赖性地上调AHR靶基因。与之相符，I3P能诱导AHR核转移并增强外源反应元件（XRE）驱动的萤光素酶活性，而PP或HPP不能。接下来，研究者比较了激动剂I3P、Kyn和KynA激活AHR的能力。相较于Kyn或KynA，I3P能以较低浓度诱导XRE驱动的萤光素酶活性并上调TIPARP。大多数I3P调节的途径都是AHR依赖性的，I3P AHR依赖性地增强GBM细胞的迁移能力。CD8+ T细胞中I3P也能激活AHR并抑制T细胞增殖。因此，I3P是一种新的介导IL4I1和AHR驱动的肿瘤恶化的代谢物。
4.I3P提高AHR激动剂KynA和吲哚-3-乙醛（I3A）的水平。
在过表达IL4I1细胞的上清液中，研究者未检测到I3P，但检测到I3P的衍生物吲哚乙酸（IAA）、I3A、吲哚-3-乳酸（ILA）显著上调。经典理论认为KynA是由IDO1或TDO2代谢的Kyn衍生而来，而该研究发现IL4I1过表达能提高细胞中KynA水平，但对Kyn无影响。IL4I1对KynA的调节作用在小鼠脾脏组织中得到进一步证实。与野生型（WT）小鼠相比，Il4i1敲除小鼠的KynA水平显著降低。用I3P处理GBM细胞导致细胞中IAA、I3A和KynA水平呈剂量依赖性增加，证实这些代谢物均源自I3P。I3P转化成KynA的一种可能路径是Kyn的氨基转移。泛氨基转移酶抑制剂能完全消除对照组中KynA的形成，但仅使过表达IL4I1细胞的KynA水平降低了约70％，说明被消减的这部分KynA来源于Kyn的氨基转移，而剩下的约30%KynA可能来源于I3P，因为在无细胞条件下I3P能自发地形成KynA。IL4I1衍生物H2O2能促进I3P向KynA的转化。I3P衍生物I3A能诱导TIPARP并上调AHR泛组织信号。以上结果表明，IL4I1通过I3P的产物KynA和I3A激活AHR。
5.IL4I1表达在原发癌症和转移性肿瘤中增强。
大多数肿瘤类型中，与健康组织相比，原发癌组织的IL4I1表达增强，弥漫性大B细胞淋巴瘤中的IL4I1表达尤甚。此外，多数癌症类型中IL4I1表达高于IDO1或TDO2，突显IL4I1是癌症的主要TCE。过表达IL4I1的细胞中，AHR靶基因的表达并未受到低氧环境的影响，说明IL4I1在低氧肿瘤微环境（TME）中也可以激活AHR。与原发性黑色素瘤相比，转移性黑色素瘤的IL4I1水平和AHR活性更高。与此一致地是，新鲜切除的转移性黑色素瘤组织中能检测到IL4I1酶活性。尽管IL4I1增强细胞迁移能力并在转移性肿瘤中富集，GO富集分析表明，含有IL4I1的AAM富集的功能中，迁移只是第三富集的功能，免疫调节作用是首要富集的功能，这与IL4I1抑制T细胞增殖的行为一致，说明IL4I1在癌症中的免疫调节功能更为显著。
6.IL4I1是代谢性免疫检查点，因而促进CLL恶化。
高表达IL4I1的肿瘤中免疫抑制性细胞富集，比如髓源抑制性细胞（MDSC）和Treg细胞。多组学因子分析也证实了这一点，含有IL4I1的模块与MDSC和Tregs密切相关。CLL是一种表达IL4I1的B细胞淋巴瘤，CLL复发的患者中，IL4I1表达与AHR活性相关，说明侵袭性CLL可用于IL4I1的研究。研究者研究了侵袭性CLL小鼠模型（TCL1 AT）中，IL4I1对肿瘤发展和抗肿瘤免疫应答的影响。与无肿瘤对照相比，Il4i1是疾病小鼠的肿瘤应援单核细胞中上调程度最高的基因之一，且其表达随着AHR活性的增强而增加。血清中IL4I1水平在疾病小鼠中也升高。与野生型疾病小鼠相比，Il4i1缺陷型疾病小鼠在外周血、脾脏和腹股沟淋巴结中的肿瘤负荷降低，并且脾脏重量下降，表明IL4I1在肿瘤免疫逃逸中的作用。研究者进一步观察了疾病小鼠中的TME，发现Il4i1缺陷型小鼠中有更高比例的经典树突状细胞（cDC），说明Il4i1缺陷型小鼠有更强的抗原呈递能力。
扩增的CD8+效应T细胞（Teff）控制TCL1 AT小鼠的肿瘤发展，但逐渐丧失效应功能并显示出T细胞耗竭的表型。IL4I1缺陷减轻了TCL1 AT小鼠Teff的耗竭，表现为KLRG1（活化的Teff的标志物）高表达、与免疫疲劳相关的免疫调节受体低表达、更高比率的PD1中等表达程度的CD8+ T细胞。对来源于野生型和Il4i1缺陷型疾病小鼠的Teff和CD8+记忆T细胞进行转录组分析，证实Il4i1缺陷型中与免疫疲劳相关的免疫调节受体和Ahr基因下调，Teff基因上调。基因集富集分析（GSEA）显示，相较于慢性淋巴细胞性脉络膜脑膜炎病毒（LCMV）感染的Teff，急性LCMV感染的Teff的富集结果与Il4i1缺陷型Teff的富集结果类似。干扰素应答是Il41i1缺陷型Teff中基因富集最多的功能之一。以上数据表明，TME中IL4I1缺陷可改善CD8+ T细胞功能。Il4i1缺陷型中Treg细胞、KLRG1+CD103+ Treg细胞和CTLA4+ Treg细胞的比例均下降。综上，在Il4i1缺陷型TME中，肿瘤相关T细胞所表现出来的特性说明IL4I1是一个抑制获得性免疫应答的代谢性免疫检查点。
7.免疫检查点阻断诱导IL4I1表达。
抗PD1的单抗nivolumab能诱导晚期黑素瘤中IL4I1和IDO1的表达，并激活AHR。转录组分析41位患者nivolumab治疗前后的样本数据（有24位患者在nivolumab给药前接受过抗CTLA4单抗ipilimumab的治疗），未经ipilimumab治疗的患者中nivolumab治疗使IL4I1显著增加。进一步观察这些未经ipilimumab治疗的患者中nivolumab给药后肿瘤的状态，肿瘤恶化的患者中IL4I1和免疫检查点分子水平显着升高，暗示IL4I1诱导代表了一种抗ICB的耐药机制。IDO1抑制剂BMS-986205、依帕卡司他、EOS200271和NLG919在其体内浓度下均不能抑制IL4I1的酶促活性。以上结果表明，ICB治疗中IL4I1可介导IDO1抑制剂抗性。
