1天3篇Nature！癌症免疫疗法关键蛋白——TOX，究竟有何妙用？

细胞毒性T细胞是免疫系统对抗病毒感染和恶性肿瘤的重要力量，然而，长期接触同类抗原往往会削弱T细胞的效应能力，限制其治疗潜力。这一过程被称为T细胞耗竭或功能障碍，通过表观遗传学强制改变基因调控，从而减少细胞因子和效应分子的表达，并上调抑制性受体的表达。

靶向耗竭T细胞上抑制性受体的免疫检查点抑制剂（如PD-1/PD-L1抗体）彻底改变了癌症治疗，使得很多晚期癌症患者获得了长期缓解。然而，目前这类疗法仅对少数患者有效，大部分患者要么不响应这类疗法，要么只有短期响应。

论文一

6月17日，发表在Nature杂志上题为“TOX is a critical regulator of tumour-specific T cell differentiation”的一篇论文[1]解释了为什么阻断肿瘤浸润T细胞上的抑制性受体并不总是奏效。

图片来源：Nature

美国Memorial Sloan Kettering癌症中心的Mary Philip博士和Andrea Schietinger博士领导的科学家小组发现，核因子胸腺细胞选择相关HMG盒蛋白（Thymocyte selection-associated HMG box protein）TOX在小鼠和人类功能失调（耗竭）的肿瘤浸润T细胞中高表达，而TOX又控制着这类细胞上抑制性受体（如PD-1）的高表达。

肿瘤特异性CD8+T细胞功能障碍是一种不同于功能性效应T细胞或记忆T细胞的分化状态。该研究显示，TOX是肿瘤特异性T细胞分化的关键调控因子。TOX在来自肿瘤的功能障碍性肿瘤特异性T细胞和慢性病毒感染期间的耗竭T细胞中均高表达。TOX的表达受慢性TCR刺激和NFAT激活的驱动。体外实验显示，TOX在效应T细胞中异常表达会诱导一个与T细胞耗竭相关的转录程序。相反，删除肿瘤特异性T细胞中的Tox则会使原有的耗竭程序失效：缺失Tox的肿瘤特异性T细胞不再上调抑制性受体。不过，令科学家们惊讶的是，虽然不再表达PD-1和其它抑制性受体，但删除Tox的肿瘤浸润T细胞仍然功能失调，无法消除癌症。更令人惊讶的是，没有TOX的肿瘤特异性T细胞无法长期存活。这表明，调控T细胞的杀伤机制并不只是抑制抑制性受体这么简单。

TOX的异常表达足以诱导T细胞耗竭的整体分子程序特征（图片来源：Nature）

Philip博士表示，这项成果带来了两点重要启示，一方面，研究进一步证明，某些情况下，仅仅通过阻断抑制性受体并不足以恢复抗肿瘤T细胞的杀伤能力；另一方面，研究表明，对T细胞来说，这些抑制性受体有存在的意义，即，可避免过度激活和死亡。

TOX是细胞核DNA结合蛋白，以结构依赖的方式与核DNA结合。先前已有研究表明，TOX对胸腺CD4+T细胞发育、NK细胞发育以及固有淋巴细胞发育都有重要作用，但其在慢性感染或肿瘤内耗竭CD8+T细胞中的作用并不清楚。

与Philip博士等成果发表的同一天，来自宾夕法尼亚大学Perelman医学院和慕尼黑工业大学等机构的团队也分别在Nature杂志上发表了与TOX调节耗竭T细胞相关的最新成果。

论文二

与效应CD8+T细胞和记忆CD8+T细胞相比，慢性感染和癌症中耗竭CD8+ T细胞具有有限的效应功能。从表观遗传学上来看，耗竭CD8+T细胞是一个独特的免疫亚群，与效应CD8+T细胞和记忆CD8+T细胞相比，具有独特的染色质特征。

TOX有望成为改善癌症免疫疗法的靶点（图片来源：Nature）

在题为“TOX transcriptionally and epigenetically programs CD8+ T cell exhaustion”的研究中[2]，Omar Khan等发现，TOX在不同的免疫细胞类型中含量不同，控制着耗竭T细胞的特性。

具体来说，研究揭示了TOX是耗竭CD8+T细胞的中心调控因子。TOX对形成效应CD8+T细胞和记忆CD8+T细胞很大程度上可有可无，但对耗竭CD8+T细胞至关重要。没有TOX, 耗竭CD8+T细胞就不会形成。TOX表达越长，耗竭CD8+T细胞的特性就越持久。此外，研究发现，在耗竭CD8+T细胞中，TOX由钙调神经磷酸酶（calcineurin）和NFAT2诱导。

快速和持续的TOX表达与耗竭的关键特征有关（图片来源：Nature）

有了这一发现，研究者们能够准确识别出肿瘤或感染部位已经耗竭的T细胞，这有望让临床医生通过重新激活耗竭T细胞来提高患者对癌症治疗的免疫响应效率。

科学家们认为，TOX在塑造T细胞身份方面的作用有望用于开发新的免疫疗法。“既然TOX是耗竭T细胞的关键调节因子，那么，我们就有可能通过靶向它来逆转或预防T细胞耗竭，从而改善对抗癌症或感染的免疫力。” 领导该研究的E. John Wherry博士说。

论文三

在题为“TOX reinforces the phenotype and longevity of exhausted T cells in chronic viral infection”的论文中[3]，Francesca Alfei等也揭示了耗竭T细胞的发育和维持需要TOX。

图片来源：Nature

研究发现，TOX与慢性淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒和人类丙型肝炎病毒感染时出现的T细胞耗竭表型有关。去除TOX的DNA结合域降低了耗竭T细胞中PD-1的表达，增加了细胞因子的产生，并导致了一种更多功能的T细胞表型。不过，这种经改造后的T细胞虽然最初介导了效应功能的增强，导致了更强烈的免疫病理反应，但最终其数量大幅下降。

小鼠和人类功能障碍的T细胞表达转录调控因子TOX（图片来源：Nature）

研究者们总结称，该成果确定了TOX是T细胞功能障碍发展的一个关键因素，在慢性感染期间维持了耗竭T细胞。

总结

综合这些成果，科学家们利用小鼠、细胞培养模型以及患者样本证明了TOX在细胞核内通过激活一个基因程序改变了T细胞的功能。此外，TOX与PD-1等抑制性受体表达上调密切相关。

正如慕尼黑工业大学的Dietmar Zehn教授所说：“破译调控耗竭T细胞的分子过程极其重要，因为这是靶向相关分子的先决条件。控制TOX不仅可能能够重新激活微弱的免疫响应，从而更好地对抗肿瘤；还可能减缓过度的免疫响应，用以治疗自身免疫性疾病。因此，这些成果具有重要的转化意义。”

小结

领域：免疫学

杂志：Nature

亮点：6月17日，Nature同时发表3篇论文，证实TOX与T细胞耗竭密切相关。未来，科学家们有望通过调控TOX来改善癌症免疫疗法。

相关论文：

[1] Andrew C. Scott et al. TOX is a critical regulator of tumour-specific T cell differentiation. Nature (2019).

[2]Omar Khan et al. TOX transcriptionally and epigenetically programs CD8+ T cell exhaustion. Nature (2019).

[3] Francesca Alfei et al. longevity of exhausted T cells in chronic viral infection. Nature(2019).

参考资料：

1# How to reinvigorate exhausted immune cells and stop cancer along the way

2# Reviving tired T cells to improve immuno-oncology treatments

3# Study identifies critical regulator of tumor-specific T cell differentiation

4# 专家点评 | 3篇Nature1篇Nat Immuno揭示调控耗竭CD8+T细胞的关键因子