交大许杰：PD-L1棕榈酰化修饰及相应的抑制剂开发策略
来自上海交通大学医学院附属仁济医院消化所等处研究人员发表了题为“Inhibiting PD-L1 palmitoylation enhances T-cell immune responses against tumours”的文章，报道了PD-L1的棕榈酰化修饰促进其表达的机制，并设计开发了可竞争抑制PD-L1棕榈酰化的靶向多肽分子，为免疫检查点抑制剂开发提供了新的思路。
这一研究成果公布在Nature Biomedical Engineering杂志（影响因子16.24）上，文章的通讯作者为上海交通大学医学院附属仁济医院消化所的许杰研究员，第一作者为姚晗博士，以及共同第一作者兰江博士研究生、李楚舒博士研究生和石虎兵教授。这项研究工作是上海交通大学医学院附属仁济医院消化所的许杰课题组、四川大学生物治疗国家重点实验室石虎兵课题组、复旦大学生物医学研究院陆豪杰课题组、华中科技大学生命科学院薛宇课题组等合作完成的，得到了国家重点研发计划（2016YFC0906000）和多项国家自然科学基金的资助。
免疫检查点（immune checkpoints）是分布于体内免疫系统中的抑制性信号通路，能够调控免疫反应的强弱和持续时间，避免组织损伤并维持机体自身的耐受。肿瘤能够利用免疫检查点通路的抑制作用，逃避免疫细胞的识别，特别是抑制T细胞的免疫应答，实现免疫逃逸。因此，抑制免疫检查点可以激发免疫系统原有的抗肿瘤能力。靶向免疫检查点蛋白CTLA-4、 PD-1/PD-L1的单克隆抗体已经被批准用于治疗多种类型的恶性肿瘤。
然而免疫检查点阻断疗法仍存在总体效率不高、长期使用后产生耐药以及可发生严重副作用等问题。PD-L1是PD-1的主要配体，一部分肿瘤依赖其表达的PD-L1结合T表面的PD-1并引起T细胞衰竭，促使肿瘤逃避宿主免疫系统的监视和杀伤作用。因此对PD-L1调控机制的深入研究将有助于改善治疗的效果。
近年来的研究发现PD-L1不仅表达在细胞表面，还存在于细胞内的高尔基体、循环内体以及微囊泡上；细胞内的PD-L1有促癌功能，并可重新被转运到细胞表面。因此旨在彻底清除PD-L1的靶向蛋白质降解策略受到关注。许杰课题组发现了PD-L1的溶酶体降解机制，并在HIP1R蛋白调控模式的启发下设计了PD-LYSO用于靶向降解PD-L1（Nature Chemical Biology 2019)。
棕榈酰化修饰（Palmitoylation）是一种可逆的蛋白质脂类修饰方式，其中S型棕榈酰化修饰表现为16 个碳的棕榈酰通过硫酯键共价修饰到蛋白质半胱氨酸的巯基上，可调控蛋白质的转运、稳定性、与细胞膜的结合等过程。棕榈酰化由一类活性中心含有Asp-His-His-Cys（DHHC）的棕榈酰转移酶（Palmitoyl Acyltransferase）催化，因此也被称为DHHC家族，在哺乳动物中有20多个成员。
为了初探棕榈酰化修饰对PD-L1表达的影响，许杰课题组与陆豪杰教授课题组合作，利用棕榈酰化特异性抗体确定了有效调控细胞棕榈酰化的实验条件，并发现2-溴棕榈酸（2-BP）可显著抑制肿瘤细胞PD-L1的表达。
研究人员采用点击化学方法确认了PD-L1棕榈酰化的存在，并与薛宇教授课题组合作利用css-palm模型预测了PD-L1的修饰位点，采用定点突变结合点击化学的方法验证了C272氨基酸的修饰的存在。该位点处于PD-L1的胞内区，生物信息学预测和突变实验均提示C272单一修饰位点的存在。
他们发现抑制棕榈酰化会导致PD-L1向晚期内体和溶酶体的转运以及降解，因而采用不同的生化和细胞分子生物学实验来阐明具体的机制。他们发现棕榈酰化修饰显著抑制PD-L1的泛素化修饰，而后者可促进内体分选转运复合体 (ESCRT) 结合PD-L1并将其导入多囊体(MVB)和溶酶体进行降解。通过这种机制，棕榈酰化显著地抑制肿瘤细胞PD-L1的降解，从而抑制T细胞对肿瘤的杀伤作用。
通过分析全部DHHC成员在肿瘤中的表达并对多个DHHC进行敲低和验证，研究人员发现，在肿瘤细胞中对PD-L1棕榈酰化发挥主要调控作用的棕榈酰转移酶是DHHC3。在多种肿瘤细胞中，DHHC3和PD-L1存在显著的结合与共定位，且组织芯片染色表明DHHC3的表达和PD-L1呈正相关。在小鼠的MC38肿瘤细胞中，干扰DHHC3的表达也造成了PD-L1蛋白质的显著下调，并对MC38细胞移殖瘤在C57BL/6小鼠体内的生长造成显著抑制。
为了探究棕榈酰化的小分子阻断剂2BP作为PD-L1抑制剂的潜在价值，石虎兵教授课题组采用不同浓度的2-BP注射携带MC38肿瘤的小鼠，发现40mg/kg剂量的多次注射可以显著抑制肿瘤生长，并检测到PD-L1表达的降低以及CD8+细胞在肿瘤组织浸润的增加。这些结果验证了棕榈酰化抑制剂通过降低PD-L1表达而激活体内抗肿瘤免疫细胞活性的假设。
由于目前棕榈酰化的小分子抑制剂缺少对DHHC酶的选择性，因此许杰课题组进行了棕榈酰化竞争性抑制剂的设计尝试。因为DHHC酶的特异性由底物序列决定，所以PD-L1的被修饰位点临近序列可能被DHHC3修饰，从而减少对内源性的PD-L1修饰。理论上这种竞争性多肽对其它DHHC成员的影响较小，因此可能其作用的选择性较2-BP更强。
研究组成员通过一系列实验证明上述竞争抑制剂的设计思路是切实有效的，并通过设计的PD-PALM多肽降低了肿瘤细胞PD-L1的表达量。在此基础上，今后还可以对PD-PALM进行衍生改造和修饰，以进一步提高其活性和稳定性，增强其成药潜力。
这一研究对PD-L1的棕榈酰化进行了较为深入的功能和机制探究，揭示了PD-L1棕榈酰化影响其溶酶体降解的确切途径，设计了以棕榈酰化为靶点的多肽型PD-L1抑制剂，为棕榈酰化相关的机制与转化研究带来启示。
作者介绍：
许杰，上海交通大学医学院附属仁济医院研究员、博士生导师，博士毕业于比利时布鲁塞尔自由大学，主要从事消化系统肿瘤发生机制与生物治疗靶点的研究，在PD-1/PD-L1肿瘤免疫检查点和p53抑癌通路开展机制和转化研究工作。入选国自然优青、万人计划青年拔尖人才、仲英学者、东方学者等人才计划项目，承担国家重点研发计划课题以及自然科学基金等多项科研课题，兼任BMC Cancer副主编以及Frontiers in Pharmacology专题主编。近年来以通讯作者在Nature Chemical Biology, Nature Biomedical Engineering, Cell Chemical Biology，Gut，JNCI，Cancer Research, Nature Communications, Cell Reports, Oncogene等期刊发表论文。
