Arrow
Arrow
Slider

Genetyka nowotworów a skuteczność współczesnej immunoterapii

Immunoterapia nowotworów stała się ostatnio wiodącą strategią walki z rakiem. U niektórych chorych immunoterapia przynosi trwałe działanie przeciwnowotworowe, w tym również u osób z zaawansowaną, rozsianą postacią choroby nowotworowej. Większość dostępnych obecnie immunoterapii skupia się na poprawie skuteczności naturalnych mechanizmów układu odpornościowego, zależnych od limfocytów T.

Jak limfocyty T rozpoznają komórki nowotworowe?

Limfocyty T to rodzaj białych krwinek zdolnych do specyficznego rozpoznawania antygenów (np. cząsteczek drobnoustrojów) i wykrywania zmienionych komórek, np. nowotworowych. Komórki nowotworowe różnią się od komórek prawidłowych, ponieważ mają na swojej powierzchni zmienione antygeny, którymi są krótkie peptydy prezentowane przez cząsteczki głównego układu zgodności tkankowej (MHC) klasy I. Wykrywanie komórek nowotworowych jest wysoce swoiste, ponieważ limfocyty T mają na swojej powierzchni unikatowe cząsteczki wiążące antygen, zwane receptorami limfocytów T (TCR), które umożliwiają im odróżnienie antygenów wytwarzanych przez prawidłowe komórki od obcych antygenów, pochodzenia wirusowego lub zmienionych antygenów powstających w komórkach nowotworowych. Rozpoznanie komórki nowotworowej przez limfocyty T przedstawiono schematycznie na Ryc. 1. Receptory TCR są w stanie rozpoznać tylko antygeny związane z cząsteczkami MHC. Rozpoznanie antygenu nowotworowego generuje sygnał wewnątrzkomórkowy (Ryc. 1A), który następnie prowoduje aktywację limfocytów T i w konsekwencji uwolnienie białek litycznych (perforyna i granzymy) z ziaren cytolitycznych (Ryc. 1B) oraz zwiekszoną ekspresję i oddziaływanie ligandów ze specjalnymi receptorami śmierci, obecnymi na komórkach nowotworowych, co prowadzi do ich zniszczenia.

1

Ryc. 1. Uproszczony schemat rozpoznania i niszczenia komórki nowotworowej przez limfocyt T. (A) Rozpoznanie obcego antygenu nowotworowego przez limfocyt T. (B) Aktywacja limfocytu T i uwolnienie białek litycznych z ziaren. (C) Zniszczenie komórki nowotworowej.

 Co to są neoantygeny i jak są przetwarzane? 

Prezentowanie antygenu (peptydu), na powierzchni komórki prawidłowej lub nowotworowej wymaga wcześniejszej degradacji białek komórkowych na peptydy i ich prezentację na powierzchni komórki, po związaniu z cząsteczkami MHC. Nasz genom koduje wiele wariantów cząsteczek MHC, a każda cząsteczka MHC może wiązać się z szerokim spektrum peptydów, zapewniając różnorodność prezentowanych antygenów. Typową cechą komórek nowotworowych jest ich niestabilność genetyczna, innymi słowy, zdolność do częstych mutacji ich genów, prowadząca do wytwarzania zmienionych białek. Takie zmienione białka są źródłem peptydów zwanych neoantygenami. Wiadomo, że takie specyficzne dla nowotworu neoantygeny są w stanie efektywnie aktywować limfocyty T. Obecne immunoterapie, albo czynnie aktywują swoistą odpowiedź przeciwnowotworową, albo eliminują sygnały hamujące tę odpowiedź. Jednak w wielu przypadkach notuje się brak efektywnej odpowiedzi na immunoterapię lub nabytą oporność komórek nowotworowych. Ważnym pytaniem nurtującym naukowców jest więc to, jakie molekularne mechanizmy pozwalają komórkom nowotworowym uzyskać oporność na immunoterapię?

 W jaki sposób naukowcy badają kluczowe mechanizmy oporności na immunoterapię?

Wiele zespołów naukowców zajęło się już badaniem molekularnych podstaw oporności na immunoterapię. Przez sekwencjonowanie wszystkich genów (całego genomu) w próbkach pozyskanych z nowotworów, badacze szukają najczęstszych zmian (mutacji) w genach. Naukowcy zazwyczaj porównują próbki otrzymane z nowotworów opornych na immunoterapię z próbkami nowotworów na tę terapię wrażliwych. Geny charakteryzujące się częstymi mutacjami lub zmianą (zwiększeniem lub zmniejszeniem) ekspresji w nowotworach opornych na immunoterapię stają się przedmiotem zainteresowania, gdyż mogą odgrywać rolę w nabywaniu oporności na immunoterapię. Jedna z grup badawczy porównała genomy nowotworów od chorych po efektywnej immunoterapii oraz od chorych, u których immunoterapia okazała się nieskuteczna (cyt. 1). W wyniku sekwencjonowania całego genomu badacze uzyskali listę kluczowych genów, których zmiany w ekspresji lub mutacje korelowały z opornością na immunoterapię. Co ciekawe, zidentyfikowano również mutację, która koreluje z dobrymi efektami leczniczymi u chorych z nowotworami nerki. Mutacja ta wyłącza funkcję genu PBRM1 (Polybromo 1), kodującego białko zaangażowane w przebudowę chromatyny (kompleksu DNA z białkami formującego chromosomy), mającego  wpływ na zmianę ekspresji genów i w konsekwencji zmianę zachowania komorki nowotworowej.

Innym sposobem badania mechanizmów oporności na immunoterapię jest genetyczne wyeliminowanie ekspresji określonego genu w komórkach nowotworowych, w celu sprawdzenia, czy gen ten jest istotny dla zabicia komórki nowotworowej przez limfocyty T. Jest to tzw. „test utraty funkcji”. To podejście eksperymentalne wykorzystano do zidentyfikowania oporności na immunoterapię w modelu czerniaka u myszy (cyt. 2). Inaktywacja niektórych genów spowodowała, że ​​mysie komórki czerniaka stały się bardziej oporne na eliminację przez limfocyty T (Ryc. 2). Do genów tych należały między innymi: geny kontrolujące odpowiedź komórki na cytokiny oraz geny kodujące białka ważne w procesie prezentacji antygenu, w tym kluczowe geny kompleksu MHC. Co ważniejsze, dzięki tej metodzie udało się także zidentyfikować ponad 100 genów odpowiedzialnych za oporność na immunoterapię. Inaktywacja tych genów uwrażliwiła komórki nowotworowe na zabijanie przez limfocyty T. Należały do nich m. in. geny kodujące składniki kompleksu PBAF (wspomniany wyżej gen Pbrm1, a także geny Arid2 i Brd7), kontrolującego dostępność chromatyny dla czynników transkrypcyjnych, a więc regulującego aktywność ważnych szlaków komórkowych, np. szlaków regulowanych przez mTORC1 lub interferon – IFNγ. Stwierdzono ponadto, że ekspresja genów PBRM1 i ARID2 koreluje negatywnie z aktywnością limfocytów T w wielu ludzkich nowotworach.  

2

Ryc. 2. Uproszczony schemat przedstawiający podejście badawcze, polegające na eliminacji ekspresji określonych genów i „teście utraty funkcji”. (A) Transdukcja lentiwirusami stosowana jest jako narzędzie do modyfikacji genomu komórek nowotworowych. (B) Modyfikacja genomu z użyciem biblioteki sgRNA (przedstawiona na schemacie jako czerwone, zielone, niebieskie i fioletowe DNA) prowadzi do eliminacji ekspresji określonych genów w komórkach nowotworowych. (C) genetycznie zmodyfikowane komórki nowotworowe są następnie hodowane razem z limfocytami T specyficznie rozpoznającymi antygen na komórkach nowotworowych. (D) Limfocyty T uśmiercają większość komórek nowotworowych. (E) Niektóre komórki nowotworowe stają się jednak oporne na uśmiercenie przez limfocyty T z powodu eliminacji ekspresji genu istotnego dla tego procesu. Genomowe DNA wyizolowane z opornych komórek nowotworowych jest następnie sekwencjonowane w celu zidentyfikowania genów, których wyłączenie zwiększa oporność komórek nowotworowych na zabicie przez limfocyty T.

 Jeszcze inna grupa badaczy wykorzystała podobne podejście eksperymentalne, polegające na eliminacji ekspresji określonych genów w linii komórkowej czerniaka (cyt. 3 i 4). Geny, których utrata w komórkach nowotworowych osłabiła funkcję limfocytów T, związane były m.in. z przetwarzaniem, transportem i prezentacją antygenów na powierzchni komórek nowotworowych, np. geny TAP1, TAP2, HLA-A, B2M i TAPBP. Więcej informacji na temat obróbki i prezentacji antygenów w komórkach można znaleźć tutaj: https://en.wikipedia.org/wiki/Antigen_processing https://en.wikipedia.org/wiki/Antigen_presentation.  

Wśród dwudziestu najważniejszych genów, znalezionych w wyniku analizy całego genomu, było także wiele genów o funkcji niezwiązanej bezpośrednio z aktywnością limfocytów T, takich jak CD58, SOX10, MLANA, PSMB5, ​​APLNR i RPL23. Potrzebne są dalsze badania, żeby dokładniej określić rolę tych genów w oporności na cytotoksyczne działanie limfocytów T. Więcej informacji na temat wyżej wymienionych genów można znaleźć tutaj: https://www.genecards.org.

Aby potwierdzić, iż geny zidentyfikowane przez genetyczne wyeliminowanie ich ekspresji w komórkach nowotworowych rzeczywiście zmieniają podatność na immunoterapię, analizie poddano dane dotyczące ekspresji genów w próbkach uzyskanych od ponad 11 000 pacjentów z nowotworami (The Cancer Genome Atlas; TCGA). Wśród przebadanych 36 typów nowotworów poddanych biopsji przed zastosowaniem immunoterapii zidentyfikowano zestaw 19 genów, których utrata w nowotworach wiązała się ze zmniejszoną aktywnością limfocytów T i krótszym czasem przeżycia chorych. W grupie tej znajdowały się geny związane z prezentacją antygenów przez komórki nowotworowe (np. HLA, B2M, TAP1 lub TAP2) oraz geny związane ze stymulacją limfocytów T lub wytwarzaniem cytokin (np. JAK2, APLNR i STAT1).  

Ponadto, po analizie mutacji genów w różnych nowotworach w bazie TCGA (The Cancer Genome Atlas), zidentyfikowano geny o najwyższej częstotliwości mutacji (zazwyczaj prowadzących do utraty funcji tych genów). Na uzyskanej w ten sposób liście ponownie znalazły się geny związane z prezentacją antygenów, takie jak B2M i HLA-A, ale także inne geny regulujące funkcję limfocytów T, takie jak COL17A1, TAF3, DEFB134, ABR, QSER1 i DHX9. Tak więc, utrata ekspresji tych genów lub utrata ich funkcji (w następstwie mutacji) w komórkach nowotworowych jest jednym z mechanizmów ich ucieczki spod kontroli układu odpornościowego. W aspekcie terapii i diagnostyki, identyfikacja tych mutacji może być pierwszą oznaką pojawienia się oporności nowotworu na immunoterapię. 

Podsumowanie 

Badania przytoczone w tym artykule są jednymi z pierwszych, które wyjaśniają dlaczego immunoterapia u wielu chorych jest nieskuteczna. Dokładna lista genów regulujących interakcje między nowotworem a komórkami układu odpornościowego i kontrolujących odpowiedź na immunoterapię może mieć dużą wartość kliniczną. Lista ta mogłaby znaleźć zastosowanie w terapii spersonalizowanej, do przewidywania którzy z chorych mogą być oporni na leczenie immunoterapią. Ponadto, poznanie genów regulujących odpowiedź na immunoterapię może doprowadzić do zidentyfikowania nowych kombinacji leków, które mogłyby zniwelować oporność na immunoterapię, wywołaną przez utratę ekspresji lub pojawienie się mutacji w tych genach. Konieczne są dalsze badania, angażujące nowe, odmienne podejścia badawcze, aby lista genów kontrolujących odpowiedź na immunoterapię stała się bardziej kompletna.  

ŹRÓDŁA LITERATUROWE:

  1. 2018 Feb 16; 359 (6377): 801-806.
  2. 2018 Feb 16; 359 (6377):770-775.
  3. 2017 Aug 31; 548 (7669): 537-542.
  4. https://www.cancer.gov/news-events/press-releases/2017/immunotherapy-genes-study

Autorzy: Dr Beata Pyrzyńska, Dr Małgorzata Firczuk, Prof. Jakub Gołąb, Dr Abdessamad Zerrouqi

 

OPEN