表观遗传学的核心是组蛋白和核酸的各种共价修饰，这些修饰协同调节染色质结构和基因表达。表观遗传组的失调会驱动异常的转录程序，促进癌症的发生和进展。9月14日，最新发表在Nature Reviews Drug Discovery 杂志上题为“Targeting the epigenetic regulation of antitumour immunity”的一篇综述中，来自澳大利亚墨尔本大学的4位科学家总结了关键的异常表观遗传调控——DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰——对肿瘤免疫原性的影响，以及表观遗传调节对抗肿瘤免疫细胞功能的影响。文章强调，表观遗传调节因子的小分子抑制剂有望用于增强抗肿瘤免疫反应，并讨论了将表观遗传疗法与免疫疗法进行联合的抗癌潜力。
来源：Nature Reviews Drug Discovery每一种表观遗传修饰都由特定的酶调控，这些酶可添加或移除表观遗传标记，分别被称为“writers(W)”和“erasers (E)”。此外，可识别这些修饰的特定蛋白结构域也调节着表观遗传修饰，这些结构域被称为“readers (R)”。表观遗传组的广泛失调在人类癌症中普遍存在，这导致了抗癌靶向表观遗传疗法的发展。图1按靶点对靶向组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化、DNA甲基化和组蛋白磷酸化调节因子的已获FDA批准和正在开展临床研究的表观遗传疗法进行了分类。图1 | 调节表观遗传组的治疗策略（来源：Nature Reviews Drug Discovery）
DNA甲基转移酶(DNMT)的小分子抑制剂（也被称为hypomethylating agents，即去甲基化药物）是癌症治疗中最广泛使用的表观遗传疗法，主要用于骨髓增生异常综合征(MDS)和急性髓系白血病(AML)的治疗。DNMT家族可催化DNA的从头甲基化(由DNMT3a和DNMT3b负责)，以及在复制后维持DNA甲基化（由DNMT1负责）。而α-酮戊二酸依赖性双加氧酶的ten–eleven translocation (TET)家族被认为通过5-甲基胞嘧啶的氧化催化间接驱动了DNA去甲基化（图2a）。在人类癌症中，调节DNA甲基化的基因(包括DNMT3A和TET2)经常发生突变，导致异常的DNA甲基化模式，这种异常又与基因表达失调相关。例如，肿瘤抑制基因和microRNAs的超甲基化与肿瘤发生直接相关(图2b)。此外，研究证实，DNA甲基化失调可能是一个主要的致癌事件，这可能同时改变抗肿瘤免疫反应，进一步加剧肿瘤的发生。DNMT抑制剂引发的直接抗肿瘤作用（如细胞凋亡、细胞周期阻滞）最初被归因于因DNA甲基化沉默的基因的重新表达。而后期有研究揭示，DNMT抑制剂治疗还能增加与抗原递呈相关的基因以及免疫共刺激分子（如CD80、CD86和CD40）的表达。还有证据表明，DNMT抑制剂可促进肿瘤细胞新抗原的递呈，增强免疫原性。图2 | 癌症和病毒拟态中的DNA甲基化（来源：Nature Reviews Drug Discovery）DNA甲基化也被真核生物广泛用于抑制转座因子的转录，如已经整合到宿主基因组中的内源性逆转录病毒（endogenous retroviruses, ERVs，图2c）。使用去甲基化药物可使得肿瘤细胞中ERVs 重新表达，刺激先天抗病毒样反应（图2d）。ERVs的双向转录可产生一种双链RNA (dsRNA)，之后dsRNA可被包括TLRs、胞质受体MDA5、RIG-I和cGAS–STING通路在内的模式识别受体感知。dsRNA感知途径又会触发涉及MAVS聚合的信号级联，最终通过促炎转录因子（如IRF7、NF-κB）直接上调IFNα和 IFNβ来唤起一种先天免疫反应。而肿瘤微环境中自分泌和旁分泌的IFNα/β信号可促进促炎细胞因子和趋化因子的产生，从而增强肿瘤细胞的免疫原性(图2e)以及免疫检查点阻断疗法的疗效。因此，将DNMT抑制剂与免疫疗法联合，以引发更有效的抗肿瘤免疫反应，克服与免疫检查点相关的适应性耐药，可能是一种可行的策略。目前，已有大量临床试验在评估DNMT抑制剂与检查点抑制剂（如PD-1/PD-L1抗体、CTLA-4抗体）的联合（表1）。来源：Nature Reviews Drug Discovery
蛋白质翻译后乙酰化是高度动态的，并受组蛋白乙酰转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）相反活性的调节(图3a)。HDACs介导的组蛋白去乙酰化与染色质浓缩和转录沉默相关，通常伴随着相同残基上组蛋白甲基化的增加。在临床上，HDAC抑制剂在过去20年中作为抗癌药物被广泛研究，一些药物（伏立诺他、罗米地辛、帕比司他和贝林司他）基于单药治疗的疗效获批用于治疗血液恶性肿瘤。相比之下，实体瘤对HDAC抑制剂的治疗反应依赖于联合治疗方案。在癌症模型中，HDAC抑制剂在免疫功能不全的小鼠中或野生型小鼠的免疫细胞耗竭后的疗效降低，表明其作用机制中存在免疫依赖成分。低亲和力的泛HDAC抑制剂sodium valproate能够诱导肿瘤细胞上NKG2D配体MICA、ULBP2和ULBP3的表达，导致NK细胞脱粒增强。在小鼠黑色素瘤模型中，I类HDAC抑制剂罗米地辛可增强MHC I类分子表达，提高CD8+T细胞的细胞溶解活性。HDAC抑制剂还可诱导MHC I类抗原处理和递呈基因（包括TAP1、TAP2、LMP2、LMP7和B2M）的表达(图3b；3c)，并上调免疫检查点配体（包括PD-L1）。IV类HDAC11特异性抑制剂能够上调霍奇金淋巴瘤中的OX40L，破坏产生IL-10的调节性T细胞的免疫抑制功能。总的来说，HDAC抑制剂同时调节肿瘤细胞免疫原性的阳性和阴性调节因子，从而调控先天和适应性免疫系统的识别。HDAC抑制剂的免疫调节活性为其与免疫疗法的配合提供了理论基础。在临床前癌症模型中，多种HDAC抑制剂可增强免疫检查点阻断疗法、免疫刺激疗法以及过继T细胞疗法的疗效。这些联合治疗的疗效与多种机制有关，如肿瘤浸润性淋巴细胞增加、细胞因子产生增加、T细胞活化增强。基于这些临床前发现，一些评估HDAC抑制剂与免疫疗法联合的临床试验正在进行中（表1）。早期的临床试验结果显示，在抗PD-1单药治疗或抗PD-1联合抗CTLA-4治疗后进展的黑色素瘤患者中，HDAC抑制剂恩替诺特联合帕博利珠单抗（PD-1抗体）显示出了显著的临床活性和可接受的安全性。图3 | 组蛋白乙酰化和甲基化在肿瘤发生和免疫原性中的作用（来源：Nature Reviews Drug Discovery）
组蛋白甲基化模式异常在人类癌症中经常被检测到。多种组蛋白甲基转移酶（HMTs）已被用作治疗靶点，包括EZH2、SETDB1、DOT1L，然而只有EZH2和DOT1L小分子抑制剂进入了临床开发。EZH2上调已在一系列肿瘤中被证实。此外，EZH2在多种肿瘤类型中与免疫逃避机制相关，最明显的是通过抑制MHC I类分子介导的抗原递呈（图3b，3c）。另有研究证实，组蛋白甲基化介导的免疫原性因子的表观遗传沉默是癌症免疫逃逸的重要机制。SETDB1被发现在人类癌症中上调或扩增，提示其致癌作用。AML细胞系中SETDB1的遗传缺失可以有效地刺激病毒拟态和I型干扰素的产生，从而诱导肿瘤细胞死亡。尽管目前还有团队报道可充分选择性抑制SETDB1的小分子抑制剂，但这类抑制剂有望促进抗肿瘤免疫。DOT1L是组蛋白H3赖氨酸79 (H3K79)甲基转移酶。使用小分子抑制剂靶向DOT1L在临床前和异种MLL（mixed-lineage leukaemia）驱动的AML模型中被证明是有效的，这些发现推动了DOT1L抑制剂EPZ-5676 (pinometostat)进入I期临床。DOT1L依赖性免疫调节基因的调控是否在肿瘤发生或抗肿瘤免疫中发挥了任何重要的功能仍有待确定。除了探讨表观遗传药物的作用机制，在该综述中，作者们还详细总结了表观遗传机制如何控制抗肿瘤免疫反应中NK细胞、CD4+和CD8+T淋巴细胞的命运和功能。如图4a所示，EZH2抑制剂可增强NK细胞上NKG2D和肿瘤细胞上NKG2DL的表达。这种相互作用导致NK细胞激活和肿瘤细胞死亡。相反，EZH2抑制剂也会增加NK细胞负调节因子MHC I类分子的表达。此外，IFNG等NK细胞效应基因的表达可通过DNA甲基化来调控，因此，DNMT抑制剂有望用于增强这些基因的表达，从而增加NK细胞的细胞毒性。图4 | NK细胞、CD4+T细胞和Treg细胞抗肿瘤活性的表观遗传学调控（来源：Nature Reviews Drug Discovery）图4b总结了 CD4+T细胞的表观遗传调控。抑制EZH2可导致TH1和TH2细胞分化增加。此外，由于SETDB1限制了TH1细胞相关基因（如TBX21）的表达，因此，抑制SETDB1可能能够增强TH1细胞的反应，潜在地促进抗肿瘤免疫。图4c-e总结了调节性T (Treg)细胞的表观遗传调控。HDAC9和HDAC7抑制剂可促进FOXP3活性和Treg细胞功能。此外，在免疫抑制性Treg细胞中，使用EZH2抑制剂或DNMT抑制剂能够取消Treg细胞特异性转录程序，导致Treg细胞靶基因（如CTLA-4）的表达以及总体的免疫抑制能力降低。反过来，EZH2抑制剂或DNMT抑制剂的这种使用能够增加抗原呈递细胞(APCs)的共刺激能力，导致CD8+T细胞反应增强。
图5 | CD8+T细胞的表观遗传调控（来源：Nature Reviews Drug Discovery）
图5总结了CD8+T细胞的表观遗传调控。由于CD8+ T细胞在抗肿瘤免疫反应和病毒清除中的核心重要性，其表观遗传调控已被广泛研究。在T细胞分化的线性模型下，初始T细胞逐步分化为干细胞记忆T (TSCM)细胞，然后是中央记忆T (TCM)细胞、效应记忆T细胞、效应T（Teff）细胞，最后是耗竭T细胞或终末分化细胞(图5)。CD8+T细胞的激活会导致DNA和组蛋白修饰的动态变化。T细胞从初始T细胞向Teff细胞的克隆扩增与不同的DNA甲基化特征有关。在肿瘤微环境中，CD8+T细胞中DNMT1自身表达增加，这与T细胞功能障碍相关的基因甲基化增加有关，从而抑制CD8+T细胞的抗肿瘤表型。因此，DNA甲基化积极调节着T细胞分化和效应T细胞的功能，并限制着对免疫检查点封锁的治疗反应。通过对CD8+T细胞进行表观遗传调控使其维持在可响应免疫检查点阻断疗法的状态是一种潜在的治疗机会。临床前研究显示，将PD-L1、PD-1或CTLA-4抑制剂与DNMT抑制剂联合导致了更有效的CD8+T细胞抗肿瘤免疫应答，一些临床研究也已经在开展（表1）。将去甲基化药物与免疫疗法联合的另一个好处是，它们可以诱导肿瘤细胞产生I型干扰素反应，从而吸引免疫细胞到肿瘤部位。除了前文屡次提及的与免疫检查点阻断疗法的联合（大量研究和试验已经调查了免疫检查点抑制剂与DNA去甲基化药物、LSD抑制剂、EZH2抑制剂等表观遗传药物的联合），表观遗传疗法的另一个令人兴奋的治疗应用是与包括CAR-T在内的过继细胞疗法(ACT)联合（图6）。ACT的生产和传递过程既允许肿瘤在接受ACT治疗之前预先接受表观遗传疗法治疗，也允许T细胞在回输到患者体内之前接受表观遗传疗法的预处理。HDAC抑制剂已经被证明可以促进ACT的功效。此外，有证据显示，在体外，用EZH2抑制剂治疗尤文氏肉瘤细胞增加了肿瘤细胞的GD2表达，以及随之而来的对抗GD2 CAR - T细胞的敏感性。图6 | 表观遗传疗法联合CAR-T （来源：Nature Reviews Drug Discovery）在综述的最后，作者们提出，表观遗传疗法和免疫疗法的联合正在迅速成为治疗癌症的新范式。随着靶向更广泛的表观遗传学和免疫学靶点的小分子的发展以及对测序和免疫学技术更好的应用，相信未来会产生更合理的联合策略，从而为改进癌症治疗带来新的机会。
参考资料：
[1] Simon J. Hogg et al. Targeting the epigenetic regulation of antitumour immunity. Nature Reviews Drug Discovery (2020).
