功能性POLE/POLD1突变影响肿瘤对免疫检查点阻断治疗的应答

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2022年7月11日，克利夫兰诊所免疫治疗和精准免疫肿瘤学中心 (Center for Immunotherapy & Precision Immuno-Oncology) 主任Timothy A. Chan团队（第一作者为Xiaoxiao Ma博士后研究员）在Nature Genetics上发表了文章Functional landscapes of POLE and POLD1 mutations in checkpoint blockade-dependent antitumor immunity，证明含有功能性DNA聚合酶epsilon和delta(POLE/POLD1)突变的肿瘤对免疫检查点阻断(Immune checkpoint blockade, ICB)治疗更加敏感。

自2014年开始，Chan博士的团队一直致力于发现影响肿瘤对免疫检查点阻断治疗敏感程度的遗传学因素。他们在之前的研究中发现具有高肿瘤突变负荷 (TMB-H) ，以及肿瘤中存在DNA 损伤应答应和修复 (DDR) 相关基因突变的病人，接受免疫治疗的预后会更好 (Snyder et al, NEJM, 2014; Rizvi et al, Science 2015; Samstein et al, Nat Genetics, 2019) 。在后续研究中，该团队进而发现碱基错配修复缺陷导致的高度微卫星不稳定 (MSI-H) ，和由BRCA2基因失活导致的同源重组缺陷 (HRD)，都能通过提高肿瘤突变负荷，产生更多的新生抗原(neoantigen)，促进对肿瘤对免疫治疗的敏感性 (Mandal et al, Science, 2019; Samstein et al, Nat Cancer, 2020) 。这些发现促进了美国食品药物管理局对TMB-H和MSI-H作为ICB治疗生物标记物的批准。

POLE/POLD1 是DNA 合成和DDR基因，在所有癌症类型中，近 4% 的肿瘤中都存在这两个基因的错义突变。其中大约 10% 到 13%的错义突变是遗传自父母的生殖系突变。之前的研究表明，部分发生在POLE/POLD1蛋白DNA外切酶结构域的突变会导致肿瘤中超突变(hypermutation)的性状。近年来，对个别POLE突变病人案例和Pole热点突变小鼠模型的分析发现，POLE突变可能与肿瘤中高水平的免疫细胞浸润，以及接受ICB治疗后更好的预后相关。

然而，在肿瘤中POLE/POLD1的突变极具多样性，目前尚不清楚这些不同的突变将如何影响患者对抗肿瘤ICB治疗的反应。同时，并非所有 POLE/POLD1 突变都是致病性或功能性的，将这些功能性突变与非功能性突变区分开来依然非常具有挑战性。在此次发表的研究中，Chan博士的团队试图通过免疫基因组学，动物模型和对免疫治疗病人数据的分析来系统性阐明并解决这些问题。

作者首先运用基因编辑构建了一系列含有代表性Pole/Pold1功能性突变的小鼠肿瘤模型，这些肿瘤的生长受到单一或联合ICB疗法的显著抑制。相比之下，抗肿瘤ICB治疗对亲本 Pole/Pold1 野生型肿瘤的生长几乎没有影响。与野生型小鼠肿瘤相比，这些具有Pole/Pold1功能性突变的肿瘤在接受ICB治疗前后其存在免疫微环境的明显改善。

为了确定是否可以在肿瘤患者中观察到类似现象，研究人员首先基于 POLE/POLD1突变肿瘤的突变特征(Mutational signature)—— DNA 损伤和基因组修复程序在肿瘤发生中产生的DNA指纹——建议了统计模型。这些模型可以有效识别包含功能性 POLE/POLD1突变的肿瘤，并将它们与其他肿瘤区分开。利用这些模型，研究人员分析出了来自TCGA, ICGC以及MSK-IMPACT泛癌数据库中超过2000个含有POLE/POLD1体细胞突变的肿瘤样品中，可能含有功能性 POLE/POLD1突变的样品，并鉴定出了部分样品中潜在的功能性 POLE/POLD1突变。在进一步对TCGA子宫内膜瘤数据集的分析中，作者观察到了和与小鼠模型类似的现象--包含功能性 POLE/POLD1突变的病人肿瘤和其他肿瘤相比，具有更强的免疫浸润。

研究人员进一步将其中一个基于靶向二代测序(Targeted panel sequencing)结果的模型应用于该团队在纪念斯隆凯特琳癌症中心建立的，包含超过2500名病人的回顾性泛癌ICB治疗队列，发现75%的具有功能性 POLE/POLD1突变的肿瘤对ICB治疗会产生持久的临床反应，从而使这些病人在接受免疫治疗后痊愈，或者生存期明显增长。同时，研究人员发现他们建立的模型在识别更有可能受益于ICB治疗的功能性 POLE/POLD1 突变患者方面，明显优于其他传统方法，从而用于指导临床治疗。

在探索相关分子遗传机制的过程中，研究人员发现，肿瘤中不同突变产生和修复机制，会对蛋白质错义突变的频谱产生影响。比如，APOBEC活化会导致谷氨酸到赖氨酸 (E-to-K) 突变的富集。这些对蛋白质突变频谱的影响同样也体现在肿瘤neoantigen的一系列生化特征上。含有功能性 POLE/POLD1 突变的肿瘤中的neoantigen与对应的野生型抗原相比，其T细胞受体接触残基 (TCR-contact residues) 具有更高的疏水性，从而增强其被T细胞识别，并激活T细胞的能力。综合这项研究中发现的其它证据，作者认为含有功能性 POLE/POLD1 突变的肿瘤对免疫治疗相对敏感，是由这些肿瘤中免疫原性突变的数量和质量的提升，以及免疫微环境的改善共同驱动的。

“迄今为止，这是对癌症患者 POLE/POLD1 基因突变的最全面的分析，” Chan 博士说，“这项研究的基础建立在我们之前的发现之上，即肿瘤的突变越多，对 ICB 治疗的反应就越好。我们在此的研究表明，具有 POLE/POLD1 功能性突变的患者应该将免疫检查点阻断治疗作为首选治疗方法，而 POLE/POLD1 功能性突变是免疫治疗的潜在泛癌生物标记物 (Pan-cancer biomarker) 。”

“这项研究对癌症免疫治疗的短期影响在于，我们全面评估并证明了具有功能性 POLE/POLD1 突变的肿瘤对免疫治疗敏感，这种类型的肿瘤患者可以从免疫治疗中获益；我们为此建立的模型和数据可以用于识别这些病人，从而进行针对性的治疗。” 本研究主要作者，博士后研究员Xiaoxiao Ma 表示： “长期影响是，我们证明可以利用基因组特征（例如Mutational signatures）来发现影响肿瘤免疫治疗效果的主要因素。”

“以精准的方式为癌症患者提供有效的治疗策略是我们实验室的长期研究目标之一，” Ma博士说： “我们知道，这是未来癌症治疗的关键所在。”

https://doi.org/10.1038/s41588-022-01108-w