Brachyury peptide vaccine(GlobeImmune, Inc.)

MUC1是一种高度糖化的跨膜粘蛋白，位于上皮细胞的管腔表面，保护它们免受极端因素的影响。在癌细胞中，MUC1表达上调，蛋白质结构、糖基化水平和空间分布发生改变。上调的MUC1参与了多种信号通路的调节，并在肿瘤细胞代谢、细胞凋亡、上皮间质转化和转移中发挥重要作用。MUC1糖基化不足导致新的抗原表位的暴露，这些表位可作为治疗和诊断的特异性靶点。目前，基于MUC1的靶向药物包括单抗、ADC、适配子和肿瘤疫苗，其中一些已经进入临床试验。本文就MUC1结构、表达、在肿瘤生物学功能中的作用以及针对MUC1的治疗药物做一个简单介绍。MUC1结构与表达MUC1基因位于染色体1q22上，由7个外显子和6个内含子组成，编码MUCIN家族中的I型跨膜蛋白。通过选择性剪接，MUC1可以形成多种异构体，目前已鉴定出70多种，主要包括MUC1/A、MUC1/B、MUC1/C、MUC1/D、MUC1/X、MUC1/Y等 (图1)。在正常细胞中，MUC1以极性分布分布在上皮细胞的管腔表面，而在肿瘤细胞中，MUC1的分布失去了其极性。图1. MUC1异构体示意图MUC1合成后，由于空间应力作用，被水解成两个多肽片段：MUC1-C和MUC1-N，其通过共价键相连。MUC1-C包括胞外区(MUC1-C/ED)、跨膜区(MUC1-C/TMD)和胞内区(MUC1-C/CD)。MUC1-C/ED是EGFR和其他受体激酶的识别位点。MUC1-C/TMD帮助MUC1锚定在细胞膜上，并将信息从细胞外传递到细胞内。MUC1-C/CD具有多个磷酸化位点和胞内蛋白结合位点，在细胞信号转导中发挥重要作用。MUC1-N包含多个可变数目的串联重复序列(PDTRPAPGSTAP PAHGVTSA)(VNTR)。VNTR形成的多肽骨架为糖基化提供了支架。肽骨架含有一个富含Pro(P)、Thr(T)和Ser(S)的PTS区域，糖链主要通过O-糖苷键与肽骨架上的Ser/Thr相连。在正常细胞中，糖基化隐藏了免疫优势多肽表位，而癌细胞中异常的MUC1糖基化导致免疫优势多肽表位暴露。此外，在肿瘤细胞中，MUC1-N/MUC1-C复合体的破坏导致MUC1-N的脱落和MUC1-C的激活。血液中的游离MUC1-N可以中和MUC1治疗性抗体，使它们无效。MUC1在多种肿瘤中高度表达，包括乳腺癌、膀胱癌、胰腺癌和卵巢癌，并与预后不良有关。MUC1在正常组织和肿瘤中扮演着完全不同的角色。在正常组织中，正常糖基化的MUC1在上皮细胞表面形成一种保护性屏障，保护它们免受极端环境的影响。在癌细胞中，MUC1异常高表达，异常糖基化改变了细胞内的定位，通过许多信号通路参与多种细胞活动的调节。MUC1在肿瘤细胞中的作用MUC1与癌细胞代谢新陈代谢的转化已成为癌细胞的特征之一。癌细胞对新陈代谢进行重新编程，以维持其能量需求并适应恶劣的肿瘤微环境，同时为强劲的增殖创造条件。MUC1在肿瘤代谢重编程中起重要作用，包括葡萄糖代谢、脂肪代谢、核苷酸代谢、嘧啶代谢和谷氨酰胺代谢(图2)。图2. MUC1在肿瘤代谢重编程中的作用MUC1通过调节HIF-1a的表达帮助肿瘤细胞在低氧条件下存活和增殖。研究发现，MUC1通过调节HIF-1a调节癌细胞的代谢重编程，增加癌细胞中葡萄糖的摄取和有氧糖酵解，导致肿瘤进展。在子宫内膜癌中，AGR2通过MUC1/HIF-1a途径诱导糖酵解关键基因(LDHA、PGK1、HK2和ENO1)的表达，增加细胞对葡萄糖的摄取和乳酸的产生，从而促进肿瘤进展。此外，MUC1增强TIGAR的表达，从而促进糖酵解中间产物分流到戊糖磷酸途径。代谢旁路碳流的增加促进了肿瘤细胞的合成代谢。脂代谢紊乱也是癌症最显著的代谢变化之一。癌细胞利用脂类代谢获得能量，促进合成代谢，增加恶性表型。MUC-1通过上调胆固醇和脂肪代谢酶相关基因的转录使得tamoxifen耐药。MUC1介导的EMT与转移上皮肿瘤的癌细胞需要一系列过程才能实现远处转移。从上皮细胞到间充质细胞第一次转化的特征是上皮细胞标志物减少，间充质细胞特征增加。这一过程的完成使得细胞脱离邻近细胞的紧密连接，为进入循环做准备。MUC1通过多条途径促进EMT(图3)。图3. MUC1通过多条途径促进EMT癌细胞在趋化因子的诱导下接近血管或淋巴，并黏附于内皮细胞，然后通过内皮细胞间隙进入循环。在血液循环中，癌细胞需要克服氧化作用才能生存。在乳腺癌中，MUC1通过JAK/STAT信号与STAT1相互作用，刺激干扰素诱导的跨膜蛋白1(IFITM1)转录，进而促进乳腺癌细胞中的EMT。在三阴性乳腺癌中，MUC1-C激活STAT3，与pSTAT3形成复合体，驱动Twist1基因的表达，进而与Twist1直接形成复合体，不仅促进MUC1-C的表达，还在EMT过程中促进EMT转化转录因子(EMT-TF)的表达和多基因表达。此外，MUC1-C通过与ZEB1启动子区域结合的NF-kB p65形成转录复合体来促进ZEB1的转录。反过来，ZEB1与MUC1-C形成ZEB1/MUC1-C复合体，抑制上皮分化诱导剂miR-200C的转录。ZEB1和MUC1-C的协同作用最终导致EMT。在肾癌中，SNAI2促进MUC1的表达，反过来，MUC1-C和b-catenin复合体通过与SNAI2启动子区域相互作用诱导细胞的EMT而增加SNAI2的转录活性。ALKBH2通过抑制E-catenin和通过MUC1增加vimentin的表达来促进膀胱癌细胞的EMT。MUC1与癌细胞凋亡细胞凋亡是一种受基因控制的正常细胞死亡，在细胞对环境的适应和维持动态平衡方面发挥着重要作用。MUC1可抑制由凋亡物质、化疗药物和雌激素诱导的细胞凋亡(图4)。图4. MUC1抑制由凋亡物质、化疗药物和雌激素诱导的细胞凋亡死亡受体超家族的激活诱导了caspase-8的激活，从而引发了一种凋亡反应。MUC1-CD通过直接与caspase-8 p18片段结合并阻止caspase-8募集到死亡诱导信号复合体来抑制细胞凋亡。在化疗药物应激条件下，miR-551b通过抑制过氧化氢酶的表达导致细胞内ROS积聚。累积的ROS促进MUC1的过度表达，而MUC1促进EGFR介导的涉及Akt/c-Flip/COX-2的细胞生存级联的激活并抑制细胞凋亡。此外，MUC1通过激活HCT116中的JNK1抑制顺铂诱导的细胞凋亡。MUC1和STAT1之间的相互作用通过JAK/STAT信号通路驱动IFITM1在芳香酶抑制剂耐药的乳腺癌细胞中过表达，并抑制雌激素诱导的细胞凋亡。MUC1与肿瘤干细胞肿瘤干细胞(CSCs)是肿瘤细胞中具有自我更新能力的一组细胞，被认为是致癌、促进肿瘤进展、肿瘤转移和癌症复发的原因。MUC1-C直接与MYC结合并驱动BRN2、Yamanaka OSKM(OCT4、SOX2、KLF4和MYC)多能因子的激活和神经内分泌(NE)去分化(图5)。图5. MUC1与肿瘤干细胞MUC1-C直接与E2F1结合，激活esBAF复合体(BRG1、ARID1A、BAF60a、BAF155和BAF170)，驱动NOTCH1、NANOG和CSC自我更新。MUC1-C整合了神经内分泌前列腺癌(NEPC)中的MYC和E2F1信号通路。MUC1-C/E2F1/esBAF/ARID1A通路可诱导EMT及NOTCH1、NANOG和MYC的表达。MUC1-C/E2F1/PBAF/PBRM1途径诱导NRF2介导的氧化还原平衡以及OSKM和NANOG的表达。MUC1-C还在PBRM1激活、氧化还原动态平衡、活性氧水平和CSC状态的相互作用中起着关键作用。MUC1与DNA甲基化MUC1和DNA甲基化过程之间有错综复杂的联系。一方面，MUC1可以调节基因甲基化。研究发现发现MUC1-C通过与DNMT1和DNMT3b启动子区域结合来调节DNA甲基化。此外，研究也发现MUC1降低了胃癌细胞中TFF2的甲基化，进而增加了TFF2的表达，并与预后相关。MUC1与肿瘤耐药研究发现，MUC1-CD不仅参与了多药耐药的形成，而且促进了多药耐药(MDR)基因的表达。沉默MUC1的癌细胞可使其对曲妥珠单抗、顺铂和tamoxifen敏感。长期使用曲妥珠单抗会导致对曲妥珠单抗敏感的乳腺细胞中FN、EGF和IL-6上调，促进STAT3的过度激活，从而促进MUC1和MUC4的表达，并通过维持HER2的持续激活最终导致对曲妥珠单抗的抗药性。沉默MUC1-C通过下调HER2激活逆转乳腺癌细胞对曲妥珠单抗的耐药性。Namba等人使用KL-6/MUC1的单抗隔离MUC1，逆转了乳腺癌细胞对曲妥珠单抗介导的耐药性。Keisuke Shigeta等人的研究发现，在顺铂耐药的尿路上皮细胞系中，MUC1-C高表达，并伴有PI3K-AKT-mTOR信号通路和MDR1表达上调。MUC1下调后，PI3K-AKT mTOR信号通路和MDR1水平均降低，对顺铂的敏感性显著提高。这表明MUC1-C通过PI3K-AKTmTOR信号通路激活MDR1，导致尿路上皮癌细胞耐药。MUC1-C在Rab31的启动子上与ERa形成复合体，从而减少了tamoxifen对ERa的占据，最终导致对tamoxifen的耐药性。沉默MUC1-C导致pHER2下调，并恢复tamoxifen的敏感活性。以MUC1为基础的抗肿瘤治疗基于MUC1的治疗主要包括单抗、ADC、肿瘤疫苗、适配子，其中一些已经进入临床实验（图6）。图6. 基于MUC1药物的临床试验单抗以往针对MUC1的单抗治疗主要针对MUC1-N，但在治疗肿瘤方面效果不佳。研究人员目前正在开发针对MUC1-C和MUC1糖基的下一代单抗。Kim等人通过噬菌体展示技术分离出针对MUC1-C的抗体。后续实验证实，SKM1-02、-13和-20抗体显著抑制TNBC细胞的侵袭，SKM1-02显著抑制细胞生长。Naito等人以MUC1糖肽库为基础，设计合成了两种新型的MUC1单抗(1B2和12D10)。1B2和12D10都识别MUC1肽的PDT*R基序上的糖链。1B2识别GalNAc上O6位的O-糖链，而12D10识别相同位置的Neu5Ac。ADC基于MUC1的ADC的靶点包括MUC1蛋白骨架(MUC1-C、MUC1-N)和MUC1糖基相关蛋白。Wu等人开发了一种人源化MUC1抗体(HzMUC1)，它只识别肿瘤细胞表面的MUC1。ADC由HzMUC1与MMAE偶联而成。HzMUC1 MMAE通过诱导G2/M细胞周期停滞和促进细胞凋亡来抑制曲妥珠单抗耐药和HER2阳性乳腺癌细胞生长。Panchamoorthy等人研制了基于MUC1-C的3D1-MMAE ADC药物，并在体外实验中验证了其对MUC1-C阳性肿瘤细胞的杀伤作用。除了在MUC1蛋白骨架上发挥作用的ADC外，MUC1糖基化相关蛋白也是ADC的靶标。例如，SAR566658通过识别MUC1相关的唾液酸糖蛋白CA6来诱导肿瘤细胞死亡，并且在动物肿瘤模型中观察到SAR566658的有效剂量与CA6的表达相关。GSTA是一种特异性糖基化新抗原肽，位于MUC1异常糖基化的串联重复序列区域。MUC1 ADC的通过将GSTA新抗原特异性16A抗体与MMAE偶联来诱导细胞杀伤。研究发现16A-MMAE以剂量依赖的方式抑制肿瘤生长，并且在表达人MUC1的转基因小鼠中不会产生显著的毒性。适配子适配子是具有高度特异性和亲和力的单链DNA、RNA寡核苷酸或具有三维结构的多肽。适配子可以与多种分子结合，包括纳米粒子、两亲性物质、药物等。Hanafi-Bojd开发了一种与二氧化硅纳米颗粒相结合的MUC1适配子，以有效地靶向乳腺癌细胞。Vivo-Llorca等人进一步表明，MUC1适配子包裹的二氧化硅纳米颗粒可以靶向Navitoclax耐药的TNBC细胞并诱导凋亡。Tan L等人的研究以MUC1适配子(APT)为载体，将阿霉素(DOX)导入表达MUC1的乳腺癌细胞(MCF7)。研究发现与游离DOX相比，APT-DOX复合体在不降低对靶细胞的细胞毒性的情况下，将巨噬细胞的存活率提高了近6倍。Khanet等人开发并验证了一种DNA适配子，它能特异性识别剪接变异体MUC1/Y，该剪接变异体在体内抑制乳腺癌细胞的生长。肿瘤疫苗与正常表型相比，恶性表型癌细胞的MUC1糖基化显著改变，肿瘤相关的O-糖链可作为肿瘤疫苗设计的靶点。Bilusic等人研制的基于多靶点的Ad5PSA/MUC-1/Brachyury重组免疫治疗疫苗。对于转移性去势抵抗前列腺癌(MCRPC)的患者，已经完成了I期临床试验，该疫苗耐受性良好。Wu等人开发了一种基于MUC1保护性抗原决定簇的Qβ-MUC1偶联疫苗，对乳腺癌细胞具有显著的选择性，克服了免疫耐受的缺陷。Liu等人构建的纳米颗粒能够将MUC1 mRNA疫苗运送到淋巴结中的树突状细胞(DC)，以激活和放大肿瘤特异性T细胞。mRNA疫苗联合CTLA-4单抗可显著增强机体免疫应答，有效抑制TNBC细胞生长。小编小结MUC1是一种高度糖基化的I型跨膜蛋白，在上皮细胞的管腔表面形成一种保护性屏障。MUC1在肿瘤细胞中高表达，其可通过调节肿瘤细胞代谢、EMT、抑制肿瘤细胞凋亡等方面促进肿瘤进展、增强肿瘤耐药性。因此，MUC1可能成为未来肿瘤靶向治疗的新靶点。目前针对MUC1的疫苗、抗体、ADC适配子正在开发中，一些处于I/II期临床试验，并已经显示出显著的治疗效果。尽管取得了这些进展，MUC1的具体作用机制仍然有待进一步探索。参考文献1.MUC1: An emerging target in cancer treatment and diagnosis.2.MUC1: structure, function, and clinic application in epithelial cancers.