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【文献解读】文献135:在结直肠癌中,KRAS-IRF2驱动的免疫抑制和免疫治疗耐药

 生物_医药_科研 2019-04-19

KRAS-IRF2 Axis Drives Immune Suppression and Immune Therapy Resistance in Colorectal Cancer

Cancer Cell


背景

  • 结直肠癌是世界范围内癌症死亡的主要原因。约20%的患者在诊断时就患有转移性 疾病,尽管治疗方法有所改进,但仅有约12-14%的患者能活到5年。因此寻求新的有效治疗或改进标准护理疗法至关重要。

  • 免疫检查点阻断剂(ICB)治疗在MSI-H的CRC患者中表现出活性,但在MSS的CRC患者中没有表现出活性,大多数结直肠癌病例为MSS,迫切需要有效的治疗策略。

  • KRAS G12D (KRAS*)致癌基因在免疫检查点阻断(ICB)治疗中的生物学功能和机制尚不完全清楚。

  • 在本研究中,研究人员探讨了KRAS*是如何在CRC进展的背景下直接影响免疫,以及如何改善ICB治疗在临床应用中的效果。

方法

本研究主要用到的分子技术:质谱流式技术(CyTOF)、免疫组化(IHC)、免疫荧光技术和免疫印迹、MDSC的分离及体外迁移试验、小鼠IRF2和CXCL3基因沉默、染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)和ChIP-PCR、实时定量PCR (Real-Time qPCR)、微阵列技术、酶联免疫吸附测定(ELISA)。

结果

结果-1 KRAS*突变在CRC进展中显著抑制免疫微环境

KRAS*突变通过增加MDSCs、减少T细胞浸润来促进晚期CRC的免疫抑制微环境:

  • FlowJo分析显示,与iAP肿瘤相比,iKAP(KRAS*)肿瘤中的T细胞比例明显下降,尤其是CD4+细胞,相反,iKAP肿瘤中骨髓源性抑制细胞(MDSCs),尤其是多形核MDSCs (PMNMDSCs)显著增加(Fig.1B)。

  • KRAS*-off (Dof-off)状态的肿瘤MDSCs减少,T细胞增多(Fig.1C)。

  • IHC染色显示,KRAS*突变驱动的肿瘤明显缺乏T细胞浸润,相反具有显著的MDSC(Gr-1、S100A8、S100A9)浸润(Fig.1D)。

  • 从iKAP肿瘤中分离的MDSCs能够显著抑制T细胞的增殖(Fig.1EFG)。

结果-2 KRAS*抑制CRC中的干扰素反应

  • IPA分析显示,KRAS*肿瘤以下调干扰素IFN-g和IFN-a反应为主要途径(Fig.2A)。对KRAS*肿瘤细胞系IPA分析表明,IFN-g和IFN-a信号是与KRAS*表达最相关的通路之一(Fig.2B)。

  • 与Krsa野生型相比,IFN反应基因在KRAS*(Dox-on)驱动的细胞中表达量显著减少(Fig.2C)。

  • 维恩图三维数据集分析:(i) IFN-a和IFN-g标记基因(n = 223);(ii)差异表达、侵袭性和非侵袭性基因(n = 5727);(iii)与KRAS突变相互排斥的基因(n = 56),挑出唯一满足条件的基因——干扰素调节因子(IRF2)(Fig.2D)。

  • 对TCGA CRC数据库中KRAS和IRF2的基因组进一步分析显示,IRF2缺失与KRAS突变是相互排斥的(Fig.2E)。

结果-KRAS*通过抑制IRF2来介导IFN反应

IRF2是KRAS*介导的IFN网络抑制的主要调控因子:

  • KRAS*(GFP+)突变的iKAP细胞显示具有低表达的IRF2(Fig.3A)。对KRAS*灭活48h和1w后,IRF2表达显著增加(Fig.3B)。

  • 与iKAP细胞相比,对IRF2过表达的iKAP细胞进行IPA分析,结果显示IFN-a/g信号表达上调(Fig.3C),包括:IFN信号分子(STAT1, STAT2, IRF9, IRF7),参与宿主防御相关免疫调控因子(RTP4, IFITM1, IFIH1, IFI44, PARP14, NMI, SAMD9L),抗原表达(PSMB9, PSMB10, B2M),细胞死亡因子(CASP7, CASP1)(Fig.3D)。

  • iKAP细胞的ChIP-seq显示了IRF2与IFN反应基因启动子的结合峰(Fig.3E)。

结果-IRF2通过CXCL3/CXCR2轴来抑制KRAS*驱动的MDSC迁移

  • KRAS*灭活(Dox-off)和IRF2过表达的培养基中观察到MDSC迁移减少(Fig.4A)。MC38 CRC细胞株(Kras wild-type)沉默IRF2(shIRF2)(Fig.4B),显著增加了MDSCs向体外条件培养基的迁移(Fig.4C),同时增加了MC38肿瘤移植C57BL/6J小鼠中MDSCs的浸润(Fig.4D)。综上,这些数据表明,抑制IRF2是KRAS* CRC中MDSC积累迁移的关键中介因子。

  • ChIP-seq显示iKAP细胞中IRF2在CXCL3基因座的结合峰,CXCL3在其启动子中含有IRF2-结合元件,增强了IRF2过表达的结合(Fig. 4E.4F)。

  • 当IRF2表达增强或KRAS*灭活后,CXCL3的表达和分泌被显著抑制。(Fig. 4G.4H)。

  • 免疫荧光染色显示,iKAP肿瘤中CXCR2的表达与Gr-1(MDSC)共定位,表明了CXCL 3/CXCR 2轴在形成晚期CRC免疫微环境中的潜在作用(Fig. 4I)。在培养基中加入重组小鼠CXCL3蛋白增加了MDSC的迁移(Fig. 4J)。相反,加入CXCR2抑制剂SX-682或抗CXCL3中和抗体后MDSC迁移率降低(Fig. 4K)。

  • 在30天的Sx-682剂量治疗中,KRAS*表达的CRC肿瘤显著减少了MDSC,增加了T细胞浸润(Fig.4L.4M),导致肿瘤细胞死亡(Fig.4N)。

结果-IRF2过表达增强了KRAS* CRC细胞对抗PD-1治疗的敏感性

  • 利用western blot分别验证了IRF2和p-ERK在MC38(KRAS-wild type)、MC38K(KRAS*)和MC38KI (KRAS*/IRF2)细胞株中的表达情况(Fig.5A)。与iKAP模型一致, MC38K抑制了代表性IFN反应基因,并在MC38KI细胞中恢复(Fig.5B)。值得注意的是,MC38KI细胞显示了CXCL3和MDSC(CD45+)的低表达(Fig.5B.5C)。

  • MC38K肿瘤的生长速度略快于MC38对照组,而MC38KI与MC38和MC38K相比,肿瘤生长明显减慢(Fig.5D)。从这些肿瘤生长发现,MC38KI与小鼠的存活率改善密切相关,抗PD-1的抗肿瘤活性在KRAS*表达过程中受到损害,而在KRAS*/ IRF 2同时表达的过程中恢复(Fig.5E)。提示IRF2的表达是保持CRC抗PD-1敏感性的关键决定因素。

结果-CXCR2的抑制增强了KRAS* CRC细胞对抗PD-1治疗的敏感性

  • 单独使用抗PD-1不能延长IKAP小鼠的存活时间,使用CXCR2抑制剂SX-682的存活率略有提高,而SX-682和抗PD-1联合治疗对延长IKAP小鼠的存活具有重要意义(Fig.6A)。

  • Sx-682/抗PD-1联合治疗组的CD8/Treg比值明显高于单药组(Fig.6B.6C);及小鼠的存活率也明显优于其他组(Fig.6E)。

结果-IRF2表达可以预测CRC抗PD-1治疗的反应

  • 对CRC的TCGA数据集进行基因集富集分析(GSEA)显示,在KRAS*突变的CRC中,IFN-g和IFN-a信号是最受抑制的通路(Fig.7A)。相反,IFN-g信号是IRF2-high CRC中最活跃的信号通路之一(Fig.7B)。

  • 利用IHC进一步显示了IRF2表达与KRAS突变状态的关系,有64%的KRAS野生型样本可检测到IRF2的表达,而在KRAS突变型样本中,只有30%可检查到IRF2的表达(Fig.7C)。

  • IRF2表达与抗PD-1治疗在MSI-H CRC中的相关性分析显示(n=14),较高的IRF2表达与更好的抗PD -1治疗反应呈正相关(Fig.7D)。

  • Fig.7E阐释了KRAS/IRF2轴在CRC免疫抑制和ICB耐药的作用原理。

讨论

  • 本研究表明,KRAS*可通过IRF2-CXCL3-CXCR2通路和MDSCs诱导形成免疫抑制的肿瘤微环境,以逃避T细胞反应。

  • 较高IRF2表达的CRC表现出对抗PD -1治疗的显著反应,表明IRF2可能是预测抗PD-1治疗反应的生物标志物。

  • 通过加强IRF2表达或抑制CXCR2可以克服KRAS*表达肿瘤的抗PD-1耐药,为晚期CRC的联合治疗策略指明了方向。

  • KRAS-IRF2-CXCL2-CXCR3通路为CRC患者选择联合治疗提供了一个指导,用于确定哪些患者对ICB治疗有更好的反应。

  • 本研究建议联合使用CXCR2抑制剂和ICB治疗,用于那些对现在护理免疫治疗没有反应的晚期CRC患者。

吉因加科技

吉因加聚焦肿瘤精准防治大需求,基于NGS检测和肿瘤基因大数据两大平台,布局肿瘤防治全链条,建立临床基因检测服务、医疗器械制造、科研合作服务、健康人肿瘤防治四大业务方向,致力成为中国肿瘤精准防治的引领者。

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