癌细胞如何躲避免疫系统：PD-L1降解通路及其在免疫治疗中的作用

目录

• 要点
• 什么是PD-L1以及它在癌症中为何重要？
• PD-1/PD-L1阻断疗法如何起作用
• 应答率问题
• 人体的两种蛋白质废物处理系统
• 通路1：蛋白酶体介导的PD-L1降解
• 癌细胞如何保护PD-L1免受破坏
• 通路2：自噬与溶酶体降解
• 诱导PD-L1降解的药物
• 联合疗法：一种有前景的策略
• 临床意义
• 未解问题与局限性
• 这对患者意味着什么
• 常见问题
• 来源信息

要点

• 癌细胞表面的PD-L1会抑制T细胞，充当“别找到我”的盾牌。
• 不到40%的患者对单独的PD-1/PD-L1阻断疗法产生反应。
• PD-L1通过蛋白酶体和溶酶体途径降解；药物可触发这两种途径。
• 将诱导降解的药物与免疫检查点抑制剂联合使用可增强抗肿瘤免疫力。
• 化疗、放疗和某些抑制剂可提高PD-L1水平，因此需要合理的联合用药方案。

什么是PD-L1以及它在癌症中为何重要？

免疫系统具有通过激活针对肿瘤细胞的免疫反应来对抗癌症的内在能力。但癌细胞非常狡猾。它们在表面产生一种称为程序性死亡配体1（PD-L1，也称为CD274）的蛋白质——这是一种关键的免疫检查点蛋白，向免疫系统发出“别发现我”的信号。

PD-L1通过与T淋巴细胞（T细胞，负责杀死癌细胞的免疫细胞）表面的受体程序性死亡1（PD-1）结合来发挥作用。当PD-L1与PD-1结合时，会在T细胞内触发一系列连锁反应。

这种结合通过称为SHP-1/2的酶导致T细胞受体的去磷酸化（去除磷酸基团）。结果如何？T细胞的增殖和活性受到抑制，因此T细胞失去了杀死癌细胞的能力。这一过程称为肿瘤免疫抑制。

简而言之，高表达PD-L1的癌细胞实际上关闭了免疫系统的攻击。在许多不同类型的癌症中都会观察到高水平的PD-L1蛋白，这促进了免疫逃逸。

PD-1/PD-L1阻断疗法的工作原理

科学家将这一知识转化为治疗策略。免疫检查点抑制剂——包括针对PD-L1或PD-1的单克隆抗体（靶向特定分子的人工合成蛋白质）——可阻断PD-L1与PD-1之间的相互作用。这相当于“松开刹车”，使T细胞能够再次攻击癌细胞。

这些疗法目前已用于治疗多种癌症，包括：

• 黑色素瘤（一种严重的皮肤癌）
• 非小细胞肺癌（NSCLC，最常见的肺癌类型）
• 胃癌
• 乳腺癌

本综述中提到了这些药物的实例：阿替利珠单抗（靶向PD-L1）和纳武利尤单抗（靶向PD-1）是其中两种获得FDA批准的制剂。

反应率问题

PD-1/PD-L1阻断疗法为许多患有多种类型癌症的患者带来了显著的临床益处。然而，存在一个主要问题：患者的反应率低于40%，且这种有限反应的原因仍不清楚。

这意味着超过十分之六的患者并未从这些治疗中获得显著益处。这是研究人员试图解决的难题——而PD-L1降解可能是答案的一部分。

身体的两种蛋白质清除系统

细胞不断合成和分解蛋白质以维持健康。癌细胞中PD-L1蛋白的水平受多种信号通路的调控，包括NFκB、MAPK、mTOR、STAT和c-Myc。但同样重要的是PD-L1在合成后的降解过程。

研究表明，PD-L1蛋白主要通过两种细胞清除系统进行降解（分解）：

1. 蛋白酶体——呈桶状的蛋白质复合物，充当细胞的“碎纸机”，将标记的蛋白质切碎成小片段。
2. 溶酶体——充满消化酶的囊状细胞器，充当细胞的“回收中心”，分解较大的物质和细胞器。

越来越多的证据表明，当PD-L1通过任一途径降解时，癌症免疫疗法的效果会更好。这篇综述文章系统地考察了这两种降解途径。

途径一：蛋白酶体介导的PD-L1降解

细胞标记蛋白质以便在蛋白酶体中分解的主要过程称为泛素化——将一个名为泛素的小蛋白标签连接到目标蛋白上。该标记系统涉及三种酶：泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3），后者将泛素从E2传递到特定的目标蛋白。一旦蛋白质被泛素链标记，蛋白酶体就会将其切碎。

PD-L1通过三种关键的E3泛素连接酶进行泛素化和降解：

STUB1

STUB1泛素连接酶通过诱导A375黑色素瘤细胞中PD-L1蛋白的降解来使其不稳定。然而，研究人员指出，STUB1的具体工作机制仍不清楚。

Cullin3SPOP

Zhang及其同事描述了一个涉及cyclin D-CDK4/SPOP/Cdh1通路的详细机制。其工作原理如下：cyclin D-CDK4激酶复合物主要诱导SPOP在丝氨酸-6位点的磷酸化（添加磷酸基团）。这种磷酸化招募一种名为14-3-3γ的蛋白到SPOP上，从而保护SPOP不被另一个复合物APC/Cdh1降解。由于SPOP受到保护，它可以促进PD-L1的泛素化和降解。

当SPOP因突变而失去功能时，PD-L1蛋白的稳定性增加。结果是肿瘤免疫抑制——癌症逃避免疫攻击。这表明健康的SPOP通路对于维持低水平的PD-L1至关重要。

β-TrCP（含β-转导重复序列蛋白）

糖原合酶激酶3β（GSK3β）是一种通过蛋白酶体诱导多种蛋白质磷酸化和降解的酶。研究人员发现GSK3β与PD-L1相互作用，并在两个特定位点——酪氨酸-180和丝氨酸-184——对其施加磷酸化。这种磷酸化标记PD-L1以便被β-TrCP泛素连接酶识别，后者随后标记PD-L1进行泛素化和降解。

AMPK和内质网相关蛋白降解（ERAD）

AMP激活的蛋白激酶（AMPK）——一种能量感应酶——的激活诱导PD-L1在丝氨酸-195位点的磷酸化。这导致PD-L1异常糖基化（添加糖分子），并触发内质网相关蛋白降解（ERAD），这是一种将内质网中错误折叠的蛋白质运回细胞质进行蛋白酶体分解的途径。

癌细胞如何保护PD-L1免受破坏

尽管PD-L1经历泛素化和降解，但癌细胞会反击。它们进化出了多种方法来阻断这一过程并维持高水平的PD-L1。综述详细说明了几种保护机制：

CMTM4 和 CMTM6

Mezzadra 及其同事报告称，两种细胞膜蛋白——CMTM4 和 CMTM6——与 PD-L1 相互作用并抑制其泛素化和降解。这种保护作用损害了 T 细胞的活性，有助于癌症存活。

CSN5 与 TNFα-NFκB 轴

在肿瘤微环境（肿瘤的即时周围区域）中，巨噬细胞（一种免疫细胞）分泌一种称为 TNFα 的信号分子。这会激活癌细胞中的 NFκB，从而增加 CSN5（COP9 信号体 5）的基因转录和表达。CSN5 是一种去泛素化酶——即去除泛素标签的酶。CSN5 通过剥离 PD-L1 蛋白上的泛素标签来稳定 PD-L1，防止其降解，并促进免疫逃逸。

EGFR 与糖基化

当细胞暴露于 EGF（表皮生长因子）时，活化的 EGFR（表皮生长因子受体）会诱导 GSK3β 磷酸化。这阻止了 GSK3β 与 PD-L1 结合。同时，EGFR 促进 PD-L1 糖基化——即添加物理屏蔽 PD-L1 的糖链。糖基化增强了 PD-L1 蛋白的稳定性，并阻断其被 β-TrCP 泛素连接酶降解。

EMT 与癌症干细胞中的 STT3

上皮-间质转化 (EMT)——一种使癌细胞更具移动性和侵袭性的过程——触发 β-catenin 诱导 STT3（一种 N-糖基转移酶）的转录。随后，STT3 对 PD-L1 进行糖基化，从而特异性地抑制癌症干细胞中 PD-L1 的降解。

化疗和辐射激活 ATM

作为对 cisplatin（一种化疗药物）或电离辐射的反应，活化的 ATM（共济失调毛细血管扩张症突变激酶）通过抑制 MDA-MB-231 乳腺癌细胞中 PD-L1 的蛋白酶体依赖性降解，增加 PD-L1 蛋白的稳定性。结果是 T 细胞活性降低。

这一发现带来了一个重要的警示：化疗或辐射实际上可能通过增加癌细胞中 PD-L1 的表达，降低 PD-L1/PD-1 阻断疗法的响应率。

途径 2：自噬与溶酶体降解

第二个主要的降解途径是 自噬——字面意思为“自我吞噬”。自噬诱导细胞质物质和细胞器在溶酶体中的降解，并在维持细胞平衡（稳态）中发挥重要作用。PD-L1 通过几种不同的机制经历自噬性降解。

HIP1R 介导的自噬

HIP1R（亨廷蛋白相互作用蛋白 1 相关蛋白）含有一个溶酶体靶向信号，并直接与 PD-L1 结合。这种结合将 PD-L1 送入溶酶体进行自噬性降解，并增强 T 细胞对癌细胞的杀伤作用。

SA-49 与 PKCα/GSK3β/MITF 途径

药物 SA-49（一种称为 aloperine 的化合物的衍生物）激活涉及 PKCα、GSK3β 和 MITF（微眼相关转录因子）的信号级联反应。该途径诱导溶酶体生物发生——即新溶酶体的产生——从而导致 PD-L1 的自噬性降解。结果是 T 细胞活性增强并抑制肿瘤生长。

研究人员对此机制提出了一个有趣的问题：既然自噬通常是一种非选择性降解过程，为什么增加的溶酶体生物发生只降解 PD-L1 蛋白而不是其他细胞内蛋白？这个问题仍有待解答。

ADAM10/17 切割

Romero 及其同事发现，PD-L1 的特定区域——氨基酸 225 至 240——是 ADAM10/17（表面金属蛋白酶酶）的一个潜在切割位点。在三阴性乳腺癌 (TNBC) 中，该位点的切割产生一个约 24 kDa 的 N 端片段释放到细胞外，以及一个约 13 kDa 的 C 端片段被溶酶体降解。ADAM10/17 的激活剂（一种称为 ionomycin/PMA 的组合）增强了这一切割事件。

癌细胞如何阻断自噬性降解

与蛋白酶体途径类似，癌细胞也有多种方法来阻断PD-L1的自噬性降解：

• CMTM6结合： CMTM6在质膜和回收内体上与PD-L1结合，抑制内吞PD-L1的降解并增强其稳定性。值得注意的是，抗体H1A（一种PD-L1抗体）可消除PD-L1与CMTM6的结合，导致PD-L1被溶酶体降解。
• DHHC3介导的棕榈酰化： 棕榈酰转移酶DHHC3（也称为ZDHHC3）在PD-L1的氨基酸半胱氨酸-272处添加一种称为棕榈酰化的脂质修饰。这种修饰抑制PD-L1的泛素化及其通过内体分选介导的自噬性降解，在结肠肿瘤模型中增强PD-L1的稳定性和免疫抑制作用。
• B3GNT3介导的糖基化： 在EGF的刺激下，活化的EGFR诱导N-糖基转移酶B3GNT3的表达，后者对PD-L1进行糖基化并抑制其降解，从而在乳腺癌异种移植肿瘤模型中导致免疫抑制。
• Sigma 1结合： 蛋白Sigma 1主要与糖基化的PD-L1结合并维持其稳定性。相比之下，Sigma 1抑制剂IPAG可诱导乳腺癌和前列腺癌细胞中PD-L1的自噬性降解，从而增强T细胞活性。

强制PD-L1降解的药物

已有多种药物被证明可诱导PD-L1降解并增强抗肿瘤免疫。下表总结了关键药物、它们触发的降解途径以及已开展研究的癌症类型：

依赖蛋白酶体的降解药物

• Osimertinib — 在EGFR突变非小细胞肺癌（NSCLC）细胞中，通过EGFR/GSK3β途径诱导PD-L1降解。
• MTI-31 — 一种新型mTORC1/2抑制剂，在NSCLC中通过mTORC2/Akt/GSK3β途径诱导PD-L1降解。它还能在肺癌肿瘤模型中增加T细胞增殖并抑制肿瘤生长。
• VE822 — 一种ATR激酶抑制剂，在乳腺癌中诱导PD-L1的蛋白酶体降解，从而增加T细胞对乳腺癌细胞的杀伤作用。

依赖溶酶体的降解药物

• SA-49 — 在NSCLC中通过PKCα/GSK3β/MITF途径诱导PD-L1的自噬性降解，增强T细胞对癌细胞的杀伤作用。
• IPAG — 一种Sigma 1抑制剂，在前列腺癌和三阴性乳腺癌（TNBC）细胞中诱导PD-L1的自噬性降解，增加T细胞活性。
• 2-BP (2-bromopalmitate) — 药理学上抑制棕榈酰转移酶DHHC3，促进PD-L1的自噬性降解，并在结肠肿瘤模型中增强抗肿瘤活性。
• PD-LYSO — 一种嵌合肽，将PD-L1结合序列与HIP1R的溶酶体分选序列相结合。它可有效靶向PD-L1进行自噬性降解，并增加T细胞对结肠癌细胞的杀伤作用。

这些发现证实，使用强制PD-L1降解的药物治疗癌症可以有效增强肿瘤免疫治疗。

联合疗法：一种充满希望的策略

该综述强调了一种特别有前景的方法：将诱导降解的药物与免疫检查点抑制剂联合使用。由于PD-L1降解药物可降低PD-L1水平，而检查点阻断剂可防止剩余的PD-L1与PD-1结合，这两种策略协同发挥作用。

已记录的联合用药方案包括：

• 吉非替尼 + 抗PD-1 — 靶向EGFR/GSK3β/β-TrCP通路；在结肠癌和三阴性乳腺癌中进行了研究。
• 姜黄素 + 抗CTLA4 — 靶向NFκB/CSN5通路；在三阴性乳腺癌、结肠癌和黑色素瘤中进行了研究。姜黄素是存在于姜黄中的一种化合物。
• 二甲双胍 + 抗CTLA4 — 靶向AMPK通路；在乳腺癌和肺癌中进行了研究。二甲双胍是一种常用的糖尿病药物。
• 依托泊苷 + 抗Tim-3 — 靶向EMT/β-catenin/STT3通路；在结肠癌和三阴性乳腺癌中进行了研究。
• STM108-MMAE偶联物 — 一种名为STM108的特定抗糖基化PD-L1（gPD-L1）抗体，与一种名为MMAE（单甲基澳瑞他汀E）的毒性药物偶联。它靶向糖基化PD-L1，诱导其降解，并在乳腺癌模型中有效增强抗肿瘤活性。
• H1A + 顺铂 — H1A是一种特定的抗PD-L1抗体，通过破坏CMTM6结合诱导PD-L1自噬性降解。与顺铂联合使用可显著增加乳腺癌和结肠癌的抗肿瘤活性。
• 帕博西林 + 抗PD-1 — 靶向CDK4/6/cullin3SPOP通路；在结肠癌中进行了研究。

这些研究揭示了一个重要见解。CDK4/6抑制剂（如帕博西林）和mTOR抑制剂实际上可以通过破坏通常降解PD-L1的途径——即CDK4/6/cullin3SPOP通路和mTORC1/p70S6K/β-TrCP通路——来增加PD-L1蛋白水平。这意味着这些药物的抗肿瘤作用可能会因PD-L1表达升高而受到抵消，从而导致癌细胞免疫逃逸。

作者认为，解决方案是合理的联合治疗。将这些抑制剂与PD-1/PD-L1阻断剂配对可有效增强肿瘤免疫治疗。

临床意义

本综述为癌症治疗带来了几个实际启示：

1. PD-L1降解药物可增强免疫治疗。将PD-L1送入蛋白酶体或溶酶体的治疗方法可增强T细胞活性并抑制肿瘤生长，为提高PD-1/PD-L1阻断疗法反应率提供了一种潜在策略。
2. 联合治疗可能是未来的方向。证据表明，PD-L1降解在与PD-L1/PD-1阻断剂配对使用时效果最佳，而非单独使用。
3. 某些现有治疗可能会无意中提高PD-L1水平。化疗和放疗可通过ATM通路增加PD-L1稳定性，这可能会降低检查点阻断的有效性。同样，CDK4/6抑制剂和mTOR抑制剂可提高PD-L1水平。这并不意味着这些治疗无效——但表明可能需要添加检查点抑制剂来抵消这种影响。
4. 抗体可直接导致PD-L1降解。PD-L1抗体H1A和STM108已被证明可诱导溶酶体中的PD-L1降解，这表明在治疗设计中抗体的选择很重要。

未决问题与局限性

作者谨慎地承认了仍未知的领域。仍有几个重要的未决问题需要解答：

• GSK3β或AMPK如何诱导PD-L1胞外片段的磷酸化？PD-L1是一种跨膜蛋白——它在细胞质中合成，由其信号肽靶向至内质网（ER）并进入内质网。胞内酶如何到达并修饰它的机制仍然令人困惑。
• 膜结合PD-L1蛋白如何易位到细胞质中进行降解？这一过程仍不清楚。
• 是否还有其他尚未发现的E3连接酶或自噬受体参与蛋白酶体或溶酶体介导的PD-L1降解？
• 由ADAM10/17产生的PD-L1切割胞质片段是否具有额外的细胞内功能？这可能具有超出降解范围的生物学意义。
• 关键问题：FDA批准的靶向PD-L1（如atezolizumab）或PD-1（如nivolumab）的药物是否确实诱导PD-L1降解？这一点尚未确立。
• CMTM6与PD-L1的相互作用抑制了通过泛素化和自噬途径进行的PD-L1降解，这两者之间的关系需要进一步研究。
• 关于mTOR通路抑制的研究结果存在矛盾。一些研究显示它降低了非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系中的PD-L1蛋白水平，而其他报告则显示在同类型癌细胞中具有相反的效果。作者认为这些差异可能源于不同研究中使用的PD-L1抗体或抑制剂不同。

需要澄清这些问题，以加深我们对癌症免疫抑制如何通过PD-L1/PD-1轴发挥作用的理解——并帮助更多癌症患者从免疫治疗中受益。

这对患者意味着什么

对于正在应对癌症治疗的患者及其家属，这项研究指出了几个要点：

• 免疫治疗的响应率正在提高，但仍不完整。 如果您不对PD-1/PD-L1免疫检查点抑制剂产生反应，并不意味着免疫治疗已无路可走。关于PD-L1降解的研究正在积极探索将无应答者转化为应答者的方法。
• 联合治疗方案正在研究中。 二甲双胍（用于糖尿病）、姜黄素（存在于姜黄中）和palbociclib（一种CDK4/6抑制剂）等药物正在临床前模型中与免疫治疗联合测试。请务必咨询您的肿瘤科医生，了解是否有适合您癌症类型的临床试验。
• 在添加任何补充剂之前请咨询您的医生。 由于姜黄素和二甲双胍可能影响PD-L1通路，患者在癌症治疗期间绝不应在医疗监督之外自行使用这些药物——剂量、时机和相互作用至关重要。
• 化疗和放疗可能会影响PD-L1水平。 如果您在接受免疫检查点抑制剂治疗的同时接受化疗或放疗，您的护理团队应仔细监测您的反应，因为这些治疗有时会提高PD-L1水平并抵消检查点阻断的作用。
• 期待更多靶向选择。 STM108-MMAE偶联物和嵌合肽PD-LYSO等工程抗体的开发表明，研究人员正在设计新的方法来强制破坏PD-L1。这些仍处于临床前阶段，但代表了未来治疗的方向。

常见问题

什么是PD-L1，它在癌症中为何重要？

PD-L1是癌细胞表面的一种蛋白质，起着“不要发现我”的信号作用。它与T细胞上的PD-1结合并抑制其攻击肿瘤的能力。高水平的PD-L1帮助癌症逃避免疫系统。这就是为什么PD-L1是免疫治疗的关键靶点。

为什么PD-1/PD-L1免疫检查点抑制剂对所有人都不起作用？

尽管PD-1/PD-L1阻断疗法帮助了许多患者，但响应率低于40%。这意味着超过60%的患者未能从中获得实质性益处。研究人员正在研究PD-L1降解通路以理解这种有限的反应并寻找改善方法。

降解PD-L1的药物如何有助于提高免疫治疗效果？

强制PD-L1降解的药物降低了癌细胞表面的“不要发现我”信号。将这些药物与免疫检查点抑制剂联合使用可以从两个方面攻击肿瘤：降解PD-L1并阻断其余部分。研究表明，这种组合增强了抗肿瘤免疫力，可能有助于那些对标准治疗无反应的患者。

化疗或放疗会影响免疫疗法的疗效吗？

研究表明，顺铂等化疗药物和放疗可以激活ATM，从而增加PD-L1的稳定性。这可能会降低PD-1/PD-L1阻断疗法的反应率。如果您同时接受这些治疗，您的医疗团队应仔细监测您的反应情况。

如果我对PD-1/PD-L1抑制剂没有反应，是否意味着免疫疗法对我无效？

不是的。对一种检查点抑制剂没有反应并不意味着免疫疗法已无计可施。关于PD-L1降解的研究正在积极探索将非应答者转化为应答者的方法。目前正在研究使用PD-L1降解药物与检查点抑制剂的联合策略，以提高反应率。

STM108-MMAE或PD-LYSO等较新的靶向方法是什么？

STM108-MMAE是一种经过工程改造的抗体，可靶向糖基化PD-L1并递送毒性药物，从而诱导降解。PD-LYSO是一种嵌合肽，将PD-L1结合序列与溶酶体分选序列相结合。两者均可促使PD-L1破坏，目前已在临床前癌症模型中进行研究。

我的癌症对PD-1/PD-L1检查点抑制剂治疗没有反应。我是否应该就其他免疫疗法选项寻求第二诊疗意见？

PD-1/PD-L1检查点抑制剂的反应率低于40%，因此许多患者无法仅从中受益。研究已发现能够促使癌细胞降解PD-L1的药物，临床前研究表明，将这些药物与检查点抑制剂联合使用可增强抗肿瘤免疫。一些现有药物（如二甲双胍和palbociclib）正在这些联合方案中进行调查。第二诊疗意见可以帮助您了解此类联合策略或临床试验是否适合您的肿瘤类型。Diagnostic Detectives Network提供独立的专家第二诊疗意见。

来源信息

Original article title: PD-L1 degradation pathway and immunotherapy for cancer

Authors: Qian Gou, Chen Dong, Huihui Xu, Bibimaryam Khan, Jianhua Jin, Qian Liu, Juanjuan Shi, and Yongzhong Hou

Journal: Cell Death & Disease (2020), Volume 11, Article 955

DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-020-03140-2

Affiliations: Department of Oncology, The Affiliated Wujin Hospital, Jiangsu University, Changzhou, China; School of Medicine, Jiangsu University, Zhenjiang, China; School of Life Sciences, Jiangsu University, Zhenjiang, China; and the Wujin Clinical College of Xuzhou Medical University, Xuzhou, China.

Funding: This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (grant 81972618) and the Changzhou Science and Technology Program (grant CJ20200004). The authors declared no conflict of interest.

这篇面向患者的文章基于发表在开放获取期刊上的同行评审研究，采用知识共享署名4.0国际许可协议。本文旨在为受过教育的患者提供易于理解的内容，不能替代专业医疗建议。请务必就您的个体治疗方案咨询您的肿瘤科团队。