美国科学院。作者手稿；PMC 2014年5月1日提供。
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癌症免疫编辑：抗原、机制和癌症免疫治疗的意义
美国密苏里州圣路易斯市南欧克利德大道660号华盛顿大学医学院病理学和免疫学系，邮编63110。
摘要
来自动物模型和人类癌症患者的累积数据强烈支持这样一个概念，即免疫系统可以在一个称为癌症免疫监测的过程中识别和控制新生肿瘤细胞。此外，免疫系统还可以通过慢性炎症、免疫选择免疫原性较差的变体和抑制抗肿瘤免疫来促进肿瘤进展。免疫的双重宿主保护和肿瘤促进作用统称为癌症免疫编辑。目前癌症免疫编辑的框架是一个由三个不同阶段组成的动态过程：消除、平衡和逃避。最近，我们证明CD8的免疫选择+缺乏强肿瘤特异性抗原的肿瘤变异体T细胞代表了癌细胞逃避肿瘤免疫的一种机制，并指出了个性化癌症治疗的未来。
关键词：癌症免疫编辑、免疫监视、肿瘤抗原、免疫治疗、肿瘤逃逸、癌症基因组
介绍
癌症免疫编辑
现在，大量证据为癌症免疫编辑提供了有力支持，在这一过程中，免疫不仅作为外源性肿瘤抑制因子发挥作用，而且还形成肿瘤免疫原性1癌症免疫编辑以其最复杂的形式发生在三个连续的阶段：消除、平衡和逃逸。消除是对癌症免疫监测这一古老概念的现代看法，在癌症免疫监测中，先天免疫和适应性免疫协同作用，在转化细胞出现临床症状之前很久就检测并摧毁它们。然而，有时肿瘤细胞变体可能无法完全消除，而是进入一个平衡阶段，在此阶段免疫系统控制肿瘤细胞的净生长；在此阶段，适应性免疫抑制临床上无法检测到的隐匿肿瘤细胞的生长，并编辑肿瘤细胞的免疫原性。2最后，肿瘤细胞群的功能休眠可能被打破，导致细胞进入逃逸期，在此期间免疫原性降低的编辑肿瘤开始以免疫不受限制的方式进行生长，建立免疫抑制肿瘤微环境，最终在临床上表现出来三重要的是，逃避免疫控制现已被公认为癌症的标志之一。4
未经编辑的肿瘤抗原
一般来说，肿瘤免疫学的一个中心原则，尤其是癌症免疫编辑过程，是肿瘤细胞表达的抗原将其与非转化的对应物区分开来，从而允许T细胞识别它们，并最终通过免疫机制将其破坏。虽然目前对人类和小鼠肿瘤抗原已有深入了解，但这几乎完全来自对来自免疫活性宿主的肿瘤细胞的分析，这些宿主在发育过程中可能受到癌症免疫编辑的塑造力。对于新生肿瘤细胞中表达的抗原知之甚少，例如，它们是否足以诱导宿主保护性、抗肿瘤免疫反应，或者它们的表达是否受到免疫系统的调节。
我们认识到，通过定义来自3′-甲基胆蒽（MCA）治疗的、免疫缺陷的未经编辑的肉瘤细胞系中表达的抗原，可以回答这些问题抹布2−/−因为这种诱导的小鼠肿瘤细胞在表型上类似于高度免疫原性、新生的原代肿瘤细胞。5然而，目前使用表达克隆方法识别肿瘤抗原的方法需要耗费大量时间和精力，不太适合建立肿瘤的抗原环境。基因组测序的最新进展使定义癌症基因组的快速且成本效益高的方法成为可能，并已证实，尽管它们在转化过程中获得了一些突变(司机突变），癌细胞也会产生许多乘客突变，部分是由于基因组不稳定的结果，而基因组不稳定是转化细胞的特征。有人提出，其中一些突变导致肿瘤特异性蛋白的表达，而这些蛋白又是T细胞的肿瘤特异性抗原。6然而，直到最近，还没有实验证明这一点。
我们实验室最近的工作7使用新的外显子组测序（cDNA捕获测序或cDNA CapSeq）来定义两个独立的未经编辑的MCA肉瘤（d42m1和H31m1）的突变谱。通过将其中一种肿瘤（d42m1）的测序数据通过管道传输到主要组织相容性复合体（MHC）I类表位预测算法中，我们鉴定了未经编辑的d42m2细胞的潜在突变抗原，并使用表达克隆技术验证了其作为主要排斥抗原的身份，并表明通过T细胞依赖性免疫选择过程导致的抗原丢失代表了该肿瘤的癌症免疫编辑机制。本研究7从而为癌症免疫编辑过程提供了机制性见解，并指出了癌症基因组分析在肿瘤免疫学和癌症免疫治疗领域的未来潜力。
癌症基因组测序与抗原发现
利用cDNA CapSeq，我们在d42m1细胞中鉴定出3737个非同义突变，在H31m1细胞上鉴定出2677个非同音突变。然而，d42m1和H31m1之间只有5%的突变是共有的，这解释了每个细胞系显示的独特免疫原性。有趣的是，d42m1和H31m1的第12密码子都有激活突变喀斯特抑癌基因的原癌基因和失活突变Trp53基因当将d42m1和H31m1肉瘤细胞的序列数据与人类癌症基因组的序列数据进行比较时，我们发现前者在突变的数量和类型（例如C/A或g/T颠倒）方面与吸烟者致癌诱导肺癌的基因组最为相似。
因此，d42m1和H31m1细胞的癌外显子组测序表明，致癌物特征与吸烟者肺癌细胞中发现的致癌物相似，但与其他人类癌症不同。这增加了一种可能性，即类似的发现方法可能被用于发现人类肺癌中的肿瘤特异性抗原。
d42m1肿瘤变体
d42m1肉瘤细胞系在移植到幼稚、同基因野生型小鼠后，表现出产生逃逸性肿瘤的零星趋势。此外，来自亲代d42m1逃逸性肿瘤的细胞系（d42m1-es1、d42m1-es2和d42m1-1es3）在移植到原始同基因受体时持续形成进行性生长的肿瘤。因此，将未经编辑的d42m1肿瘤细胞移植到野生型小鼠体内时，可以进行免疫编辑。d42m1肿瘤细胞在幼稚免疫活性小鼠中的异质性行为的基础是由于亲本d42m1细胞系由退行性和进展性肿瘤细胞克隆的不成比例（80:20）的混合物组成。
从基因组数据中识别潜在的d42m1肿瘤抗原
识别CD8的肿瘤特异性抗原+T细胞，我们使用来自癌症外显子突变分析的数据来确定d42m1特异性CD8的抗原靶点+细胞毒性T淋巴细胞（CTL）。首先，我们通过以下方法评估了包含每个错义突变的肽与MHC I类蛋白结合的理论能力（即作为新抗原发挥作用）生物信息学分析。其次，我们使用了d42m1特异性CD8+CTL克隆来自一只野生型小鼠，该小鼠拒绝了亲代d42m1肿瘤细胞以评估肿瘤反应性在体外; 对肿瘤细胞的CTL活性读数是CD8产生IFN-γ+T细胞。d42m1特异性C3 CTL克隆由亲本d42ml肿瘤细胞和所有回归变量d42m2肿瘤细胞变体刺激；但它不受d42m1进展型肿瘤细胞变体或无关的MCA肉瘤细胞的刺激。这些结果表明，回归子d42m1肿瘤细胞具有共同的排斥抗原。因此，我们重点关注所有d42m1回归变量变体共有的有限数量的表位。此外，CTL克隆对所有d42m1回归变量变体的识别受到H-2D的限制b条，我们预测血影蛋白-β2中的R913L突变代表了最有可能的排斥抗原候选，因为它对H-2D具有高亲和力b条.
接下来，我们确定C3 CTL细胞在H-2D上显示时可以区分突变型和野生型幽门蛋白-β2肽序列905-913b条为了证明抗R913L-spectrin-β2反应在生理条件下发生，我们使用标记的H-2Db条携带突变的spectrin-β2 905-913肽的四聚体，用于鉴定肿瘤抗原特异性CD8+d42m1肿瘤中的T细胞。突变体spectrin-β2特异性CD8+在父母的d42m1肿瘤和引流淋巴结中检测到T细胞，并且在肿瘤排斥前数量增加到峰值。相反，没有突变的spectrin-β2特异性CD8+在d42m1-es3肿瘤中检测到T细胞。这些数据表明，在未经编辑的d42m1肿瘤细胞中选择性表达的突变基因会产生一种突变蛋白，该蛋白在幼稚野生型小鼠中引发自然发生的T细胞反应。因此，突变的spectrin-β2是d42m1肉瘤细胞真正的肿瘤特异性抗原。
突变体spectrin-β2是d42m1肿瘤细胞的主要排斥抗原
为了探讨突变型spectrin-β2是否代表亲代d42m1肿瘤细胞的主要排斥抗原，我们将突变型或野生型spectrinβ2强制表达到d42m1es3逃逸变异体之一的细胞中。当注射到野生型小鼠体内时，表达野生型spectrin-β2的d42m1-es3肿瘤细胞克隆逐渐生长，并显示出与亲本d42m1-es3细胞系相似的生长动力学。相反，表达突变型spectrin-β2的d42m1-es3肿瘤细胞克隆在野生型中被拒绝，但没有被拒绝抹布2−/−老鼠。此外，CD8+对用突变型spectrin-β2重组的d42m1-es3肿瘤进行四聚体染色，检测对突变型spectrin-β2特异的T细胞。这些结果表明，突变型spectrin-β2的表达对于d42m1肿瘤的排斥反应是必要的和充分的，从而验证了它是d42ml肉瘤细胞的主要排斥抗原。
免疫选择是d42m1肿瘤细胞的免疫编辑机制
接下来，我们提出了一个假设，即T细胞依赖性免疫选择可能是一种有利于缺乏强排斥抗原的肿瘤变体生长的机制。这种可能性与我们的发现一致，即表达突变型spectrin-β2的每个d42m1克隆都被拒绝，而缺乏突变型spectorin-β2中的每个克隆或变体都会形成进行性生长的肿瘤。为了正式测试这个假设，我们评估了体内由大多数具有高度免疫原性的d42m1肿瘤细胞（表达突变型spectrin-β2）（即d42m1-T2）和少数缺乏突变型spectrin-β2的d42m2肿瘤细胞克隆（即d42 m1-T3）组成的不成比例混合细胞的行为。当将这种混合物移植到野生型小鼠中时，5/20（25%）的小鼠出现了逃逸肿瘤，这一结果与在野生型受体中观察到的亲代d42m1肿瘤细胞非常相似。此外，在野生型小鼠中生长的肿瘤由98%的d42m1-T3肿瘤细胞组成，并且缺乏突变的spectrin-β2。因此，双亲d42m1肿瘤细胞的逃逸变异是T细胞依赖性免疫选择过程的结果，该过程有利于缺乏主要排斥抗原的肿瘤细胞克隆的生长。
对于d42m1肿瘤细胞，我们发现作用于寡克隆亲本肿瘤细胞群的免疫选择过程导致缺乏主要肿瘤排斥抗原的肿瘤细胞变体的生长，在本例中为突变型spectrin-β2。暴露于完整免疫系统后发生的免疫选择依赖于适应性免疫，因为亲本d42m1肿瘤细胞或回归和进展d42ml肿瘤细胞克隆的混合物在通过时都没有经过编辑抹布2−/−老鼠；然而，它们是在移植到免疫活性野生型小鼠后进行编辑的。因此，在d42m1的病例中，免疫选择过程的靶点已被明确确定为主要排斥抗原。然而，这一发现并不排除类似的免疫编辑机制可能会选择MHC I类抗原处理和呈递途径关键成分的突变，例如I类重链，三β2微球蛋白或干扰素-γ受体信号成分，1所有这些都已知通过肿瘤特异性CD8调节肿瘤细胞识别+T细胞。
个性化免疫治疗和基因组学：抗原景观
基因组测序的最新进展为评估基因对疾病发展的影响提供了前所未有的机会。对于癌症，大多数基因组测序研究都侧重于识别促进肿瘤发展和转移的新驱动因子突变，以期获得能够导致新的癌症靶向治疗或提供预后价值的见解。8然而，我们已经证明，当与生物信息学表位预测算法，可用于识别癌细胞中表达的突变，从而表达肿瘤特异性抗原，这些抗原可作为免疫介导消除的靶点。我们预测，这种方法不仅可以为癌症免疫编辑的基本机制提供新的见解，还可以为个体化癌症免疫治疗提供新的机会。
来自许多癌症基因组计划的大量信息数据集对于肿瘤免疫学家定义人类癌症的抗原景观（相对于突变景观）可能具有价值9该方法的一个应用是，它可以用于识别肿瘤表达抗原的癌症患者子集，这些抗原可能更适合免疫治疗。例如，只有大约25%的抗CTLA-4治疗的患者反应积极，这种有限反应的原因尚不清楚。我们认为，对检查点阻断免疫治疗有反应的患者可能有更多的免疫原性、肿瘤特异性突变，这些抗原可以通过癌症外显子序列测定和高通量生物信息学进行鉴定；换句话说，基因组学方法可能提供一种机制，将那些从这种治疗中受益最大的患者分层。该方法的第二个应用可能提供一种机制，以纵向评估由于正在进行的免疫治疗而导致的肿瘤抗原谱的变化。第三个应用是快速识别肿瘤中最具免疫原性的表位，目的是为患者开发个性化的癌症疫苗。
很难预测这种类型的分析是否会在临床上产生预后价值，因为基因组分析可能成本高昂，并且需要简化的计算分析。然而，第三代测序技术已经商业化，癌症基因组测序的成本已经开始大幅下降，并可能在未来十年继续下降。因此，在不久的将来，对单个患者的癌细胞进行常规的这种基因组分析应该是可行的。
剩余问题
我们最近的研究7证明肿瘤的免疫编辑是由T细胞依赖性免疫选择导致的肿瘤细胞变异不能表达高度抗原突变。因此，这些结果不仅为癌症免疫编辑过程的至少一种机制提供了明确的证据，而且证明了肿瘤特异性突变在肿瘤免疫原性表型的发展和随后的命运中发挥的关键作用。
有趣的是，单个突变蛋白表现出像d42m1肿瘤细胞这样的免疫优势，这种免疫优势在某些方面类似于某些病毒抗原的免疫优势。许多因素可能有助于突变体spectrin-β2的免疫优势。基于生物信息学分析表明，突变905-913序列预计与H-2D相互作用b条与相应的野生型序列相比，该序列具有很高的亲和力，而野生型序列预计仅结合较弱。然而，一些其他因素也可能有助于突变体spectrin-β2的免疫优势，包括抗原丰度、抗原交叉呈现性、T细胞储备或调节性T细胞识别的表位的存在。显然，为了精确预测突变蛋白的抗原性，还需要做更多的工作。
我们的工作尚不清楚细胞转化机制是否会影响癌细胞最终表达的抗原类型。在我们的模型中，由化学致癌物产生的肉瘤在突变的数量和类型上与致癌物诱导的人类癌症（如吸烟者的肺癌）最相似。在过去的60年里，MCA肉瘤系统一直是肿瘤免疫学家的实验工具。这可能是由于致癌物能够产生大量乘客突变，从而形成免疫系统可以识别的更多潜在新抗原。我们推测，与自发性癌症相比，携带较少乘客突变的癌基因驱动的癌症模型可能不会像抗肿瘤免疫那样容易被根除或控制。然而，在我们的一项配套研究中，Michel DuPage和Tyler Jacks等人通过使用由喀斯特激活和Trp53基因灭活。10
总结和结论
基因组学最近的革命代表了癌症免疫编辑概念演变的一个重大转变。在过去，工作主要集中在证明这个过程发生了，确定其中的关键参与者，并试图确定他们所处的位置。这一领域的工作现在进入了一个新阶段，研究人员可以开始阐明驱动这一过程的分子机制，并确定新转化的细胞中表达的肿瘤抗原的质量和数量，这些细胞可以驱动免疫介导的消除和/或塑形。
外显子组测序方法，生物信息学分析和CD8+T细胞克隆对基础科学家和临床科学家都是有益的。通过定义癌细胞中的特定抗原靶点，可以获得对正在进行的治疗过程中宿主对肿瘤的反应的新的理解。反过来，这将有助于开发新的治疗机会，引导免疫系统的能力和特异性来控制和/或消灭癌症。它还可能有助于识别肿瘤表达抗原的癌症患者亚群，这些抗原可以通过检查点阻断免疫治疗最有效地作为靶点，并可能提供一种机制来纵向评估由于进行免疫治疗而导致的肿瘤抗原谱的变化。因此，我们预测，用于肿瘤抗原鉴定的基因组方法在未来可能会促进针对肿瘤特异性动脉粥样硬化的个体化癌症免疫治疗的发展，而不仅仅是简单的癌症相关抗原。
致谢
这项工作得到了国家癌症研究所、路德维希癌症研究院、癌症研究所和WWWW基金会对R.D.S的资助。M.D.V.由癌症研究所的博士前奖学金资助。
工具书类
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