文献解析|王霆等揭示叶酸循环“强化”肿瘤细胞抗免疫的“防御之盾”

引言

代谢重编程是肿瘤细胞的重要特征之一，其中代谢酶和代谢物的改变对肿瘤的生长、增殖以及免疫逃逸过程起着至关重要的作用。近年来，随着对肿瘤代谢研究的深入，越来越多的代谢酶被发现与肿瘤的发生发展密切相关。其中，叶酸循环代谢酶MTHFD2作为胚胎期细胞特异表达的关键酶，其在肿瘤中的功能及作用机制逐渐受到关注。天津医科大学王霆团队和余秋景团队的合作研究在Nature Communications杂志上发表了题为“The folate cycle enzyme MTHFD2 induces cancer immune evasion through PD-L1 up-regulation”的研究论文，揭示了MTHFD2通过上调肿瘤细胞PD-L1的表达，促进多种肿瘤细胞的免疫逃逸。本文将对该研究进行详细的文献解析。

研究背景

代谢重编程被认为是肿瘤免疫治疗中的一个关键过程。前期研究主要从免疫细胞代谢或肿瘤微环境对免疫细胞的影响这一角度展开，而关于肿瘤细胞自身代谢酶和代谢物改变如何直接增强其抵御免疫攻击的能力的研究相对较少。因此，从肿瘤细胞自身的角度探讨代谢重编程在肿瘤免疫逃逸中的作用机制具有重要的科学意义和应用价值。

叶酸循环是细胞代谢中的重要途径之一，它参与了嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成，对细胞的生长和增殖至关重要。MTHFD2作为叶酸循环中的关键酶，催化了一系列反应，将5,10-亚甲基四氢叶酸转化为5-甲酰四氢叶酸，进而生成10-甲酰四氢叶酸。这些代谢产物为DNA和RNA的合成提供了必要的原料。然而，MTHFD2在肿瘤中的功能及其作用机制尚未完全阐明。

研究方法

1. 基于CRISPR代谢基因文库的功能实验：研究者首先利用CRISPR代谢基因文库，系统性地分析了约3000种代谢基因（包括所有代谢酶和代谢物转运蛋白等）在胰腺肿瘤细胞抵抗效应T细胞杀伤中的作用。通过这一高通量筛选方法，研究者初步筛选出了一批可能与肿瘤免疫逃逸相关的代谢基因。

2. 基因meta分析和TCGA数据分析：进一步结合19种人类肿瘤中表达均上调的基因meta分析，研究者将关注点聚焦于胚胎期细胞特异表达的叶酸循环关键酶MTHFD2。TCGA数据分析也发现，高表达MTHFD2的胰腺癌、肝癌、肾透明细胞癌、乳腺癌及肺腺癌患者生存期明显缩短，提示MTHFD2可能与肿瘤的不良预后相关。

3. RNA-seq和TCGA临床样本分析：研究者通过RNA-seq技术检测了肿瘤细胞系中MTHFD2和PD-L1的基因表达水平，并结合TCGA临床样本数据，发现MTHFD2和PD-L1的表达呈高度正相关。这一结果初步表明，MTHFD2可能通过上调PD-L1的表达促进肿瘤细胞的免疫逃逸。

4. 机制研究：为了进一步探讨MTHFD2上调PD-L1的机制，研究者进行了多方面的实验研究。首先，通过siRNA敲降MTHFD2后，发现T细胞诱导的细胞死亡显著增加，表明MTHFD2确实与肿瘤细胞的免疫逃逸相关。其次，通过代谢组学检测发现，MTHFD2耗尽的癌细胞中，很大一部分差异的代谢物是核苷或核苷衍生物，且观察到丝氨酸积累和SAM减少。这些结果表明，MTHFD2通过增强细胞UTP/UDP等尿苷相关代谢物的水平，促进PD-L1的转录。

5. O-GlcNAc糖基化修饰研究：研究者进一步分析了尿苷相关代谢物如何介导PD-L1的转录过程。通过观察到UDP-GlcNAc（蛋白O-GlcNAc糖基化的底物）在MTHFD2敲降的细胞中显著抑制，并在外源性UTP/UDP处理后水平恢复，表明蛋白质O-GlcNAc糖基化介导了MTHFD2增强PD-L1表达的过程。此外，研究者还发现，转录因子cMYC的O-GlcNAc修饰在MTHFD2敲降的癌细胞中受到抑制，且cMYC作用于MTHFD2/UTP/UDP的下游并有助于PD-L1的转录。

6. 动物模型验证：为了进一步探索MTHFD2在体内肿瘤发展中的作用，研究者构建了胰腺癌PDX模型。通过观察到shMTHFD2对肿瘤生长的抑制和PD-L1表达在C57小鼠中被显著逆转，表明MTHFD2的PD-L1上调作用是肿瘤发展所必需的。

研究结果

1. MTHFD2与PD-L1的表达相关性：研究者发现，在多种肿瘤细胞系和临床样本中，MTHFD2和PD-L1的基因表达水平均呈高度正相关。这一结果初步表明，MTHFD2可能通过上调PD-L1的表达促进肿瘤细胞的免疫逃逸。

2. MTHFD2上调PD-L1的机制：研究者发现，MTHFD2通过高效驱动叶酸循环以维持高水平尿苷相关代谢物如UTP/UDP。细胞中高水平的以及外源的UTP/UDP均可刺激PD-L1表达，且主要通过HBP代谢途径上调UDP-GlcNAc并进一步促进包括cMYC在内的蛋白质的O-GlcNAc修饰。T58位O-GlcNAc修饰促进cMYC蛋白稳定及其对PD-L1的转录活性。

3. MTHFD2作为肿瘤免疫治疗靶点的潜力：研究者在正常体细胞中发现，叶酸循环是以MTHFD2L发挥相应功能，而肿瘤细胞中MTHFD2的表达显著上调。这一结果表明，MTHFD2可能成为肿瘤免疫治疗中更为安全的靶点。

讨论

1. MTHFD2在肿瘤免疫逃逸中的作用：本研究首次揭示了MTHFD2通过上调PD-L1的表达促进肿瘤细胞的免疫逃逸。这一发现不仅丰富了我们对肿瘤代谢重编程的认识，也为肿瘤免疫治疗提供了新的思路。

2. 代谢物与信号蛋白的相互作用：本研究发现，尿苷相关代谢物如UTP/UDP可通过调节蛋白质O-GlcNAc糖基化修饰来影响PD-L1的转录。这一结果揭示了代谢物与信号蛋白之间复杂的相互作用关系，为代谢调控在肿瘤免疫治疗中的应用提供了新的视角。

3. MTHFD2作为治疗靶点的潜力：由于MTHFD2在正常体细胞中以MTHFD2L发挥功能，而在肿瘤细胞中显著上调，因此MTHFD2可能成为肿瘤免疫治疗中更为安全的靶点。未来的研究可以进一步探索针对MTHFD2的靶向治疗药物的开发及其在临床应用中的潜力。

结论

本研究通过高通量筛选、基因meta分析、RNA-seq、代谢组学以及动物模型验证等多种方法，揭示了叶酸循环代谢酶MTHFD2通过上调肿瘤细胞PD-L1的表达，促进多种肿瘤细胞的免疫逃逸。这一发现不仅为我们深入理解肿瘤代谢重编程在肿瘤免疫逃逸中的作用机制提供了新的视角，也为肿瘤免疫治疗提供了新的思路和治疗靶点。未来的研究可以进一步探索MTHFD2在肿瘤发生发展中的作用及其机制，以及针对MTHFD2的靶向治疗药物的开发和临床应用。