近日，哈佛医学院Kai W Wucherpfennig团队的最新发现，有望打破癌症患者对免疫治疗耐药的困局。
他们筛选到了一个神奇的蛋白——CARM1。
如果是在肿瘤细胞里抑制CARM1的活性，会诱导双链DNA断裂的水平增加，激活肿瘤细胞对DNA损伤反应，提高干扰素刺激基因（ISGs）的表达水平，改善肿瘤微环境，促进先天性免疫细胞的聚集。
而在杀伤性T细胞中抑制CARM1的活性，则会提高杀伤性T细胞的活性，以及维持记忆性抗肿瘤T细胞的水平。
这就意味着，抑制CARM1活性的药物，一方面能降伏肿瘤细胞，另一方面还能提高T细胞的抗肿瘤能力。
当真是一举两得。
研究人员认为，这对于免疫治疗而言，是个非常重要的突破，相关研究成果发表在著名期刊Cancer Discovery上[1]。
▲论文首页截图
免疫治疗的出现是癌症治疗史上的重大里程碑事件，改变了很多癌症患者的命运。
然而，从目前的疗效来看，获益的始终只是一小部分患者，大部分患者对免疫治疗没有反应或者治疗后会出现耐药。
近年来，为了进一步扩大免疫治疗的受益人群，科学家和医生寄希望于将免疫治疗与化疗等其他疗法联合使用，有些联合疗法甚至已经获得FDA批准。
不过能从联合治疗中获益的仍旧只有一小部分患者[2]。究其背后的原因，部分是因为化疗等杀伤肿瘤细胞的疗法，也会损害免疫细胞的生存、功能，甚至产生[3，4]。
因此在Wucherpfennig和他的同事看来，要是有一种药物能在制服肿瘤细胞的同时，不损害免疫细胞，甚至能增强免疫细胞的抗癌活性就好了。
▲Kai W Wucherpfennig
为了找到符合上述条件的药物，他们先从肿瘤特异性T细胞着手，用CRISPR/Cas9技术筛选抗肿瘤免疫的负调节因子。
很快，一个叫Carm1的基因浮出水面。
Carm1基因编码的是一种精氨酸甲基转移酶，这种酶可以在组蛋白H3的R17和R26残基，以及其他核蛋白上添加甲基。
▲发现Carm1基因
既然Carm1送上门了，那就研究研究它对T细胞的影响好了。
Wucherpfennig先在体外敲除了T细胞的Carm1基因，与对照组相比，Carm1基因被敲除的T细胞对黑色素瘤细胞B16F10-Ova的杀伤力更强。而且，在与B16F10-Ova共处一个培养容器之后，Carm1基因被敲除的T细胞CD69活化标志物、颗粒酶B细胞毒性蛋白和细胞因子IL-2、IFNg和TNFa的表达水平更高；此外，还表现出更强的抗原诱导增殖能力。
也就是说，敲除T细胞的Carm1基因，T细胞变强大了。
如此看来，Carm1基因是肿瘤特异性T细胞的负调节因子无疑。
后续的模式小鼠体内实验再一次发现，Carm1基因被敲除的T细胞对黑色素瘤细胞B16F10-Ova形成的肿瘤，有更强的抑制效果。具体来看，不仅仅是T细胞的抗癌活性升高了，而且Carm1基因被敲除的T细胞进入肿瘤的能力也增强了。
为了搞清楚敲除Carm1基因对T细胞转录组的影响，研究人员又进一步做了RNA测序分析。结果发现，敲除Carm1基因对T细胞的影响惊人，其中1143个基因表达上调，1199个基因表达下调。
上调的基因包括编码介导T细胞招募到肿瘤中的趋化因子受体的基因，以及维持记忆T细胞群所需的关键基因。下调的基因包括与终末分化、抑制细胞因子信号传导和肿瘤内T细胞功能障碍相关的基因。这再次证实了上面的发现。
▲敲除Carm1基因对T细胞转录组的影响
接下来的研究问题很关键：敲除Carm1基因对癌细胞有啥影响呢？
Wucherpfennig团队首先对来自1208个人类癌症细胞系（Cancer Cell Line Encyclopedia，CCLE）的RNA测序数据进行分析，发现在不同的人类癌细胞系中都有高水平的Carm1表达。
对于本研究而言，这可是个好现象，至少暗示Carm1对癌细胞很重要，应该是有利于癌细胞的生长或者发展。
紧接着，研究人员就打算用对免疫检查点抑制剂有抵抗力的B16F10黑色素瘤和4T1乳腺癌模型，探索Carm1对癌细胞的作用。
在敲除B16F10和4T1的Carm1基因之后，体外的研究结果可能让他们捏了一把汗。因为敲除Carm1基因，不影响B16F10和4T1在体外的增殖和存活。
好消息是，敲除Carm1基因后，B16F10和4T1在体内的生长能力大幅减弱。不过，要是耗竭小鼠体内的CD8+ T细胞的话，Carm1基因缺失的B16F10和4T1癌细胞在体内的生长能力就恢复了。
▲Carm1基因在各种癌症中的表达水平
这说明什么？
这说明癌细胞中的Carm1失活，激起了T细胞介导的强力抗肿瘤免疫。
不仅如此，随后的研究还证实，Carm1基因缺失的癌细胞对CD8+ T细胞更敏感了。
这就很厉害了，不仅强化了免疫细胞，还弱化了癌细胞。这不就是Wucherpfennig团队想要的结果么？
那么敲除Carm1基因之后，癌细胞里面究竟发生了什么呢？
他们首先发现Carm1基因缺失的癌细胞对CD8+ T细胞更敏感，与识别游离DNA片段的cGAS-STING通路有关。这就暗示Carm1基因缺失，增强了癌细胞的DNA损伤反应。
而这种反应会诱导1型干扰素反应，最终导致肿瘤浸润性CD8 T细胞、NK细胞和树枝状细胞的数量大幅增加。
通过对DNA断裂位点的荧光标记，研究人员又发现，Carm1基因缺失的癌细胞存在更多的DNA断裂。
▲敲除Carm1基因对癌细胞基因表达的影响
这该如何解释呢？
查阅之前的文献资料，Wucherpfennig团队发现：之前已有的研究表明，Carm1基因编码的CARM1蛋白能与BRCA1和p53合作，诱导细胞周期抑制剂p21CIP1（CDKN1A）的表达[5]。换句话说，CARM1蛋白能与p53合作，防止癌细胞崩溃，尤其是在DNA出现断裂的情况下。
因为双链DNA断裂可以在有丝分裂过程中诱导染色体的错误分离和细胞微核的形成[6]，而这种微核往往具有脆弱的核包膜，导致其双链DNA暴露于cGAS[7，8]。
也就是说，敲除Carm1基因会导致DNA损伤后细胞周期抑制失败，进而导致有丝分裂过程中的染色体分离、微核的形成，cGAS-STING通路也就顺势被激活了。
原来如此！
▲敲除Carm1基因对癌细胞和T细胞基因表达影响的差异
研究做到这里可能很多读者都有个疑问，CARM1蛋白对癌细胞和T细胞的作用怎么会截然相反呢？Wucherpfennig和他的同事在论文的末尾也讨论了这个问题。
实际上这个问题不难理解，差异的出现主要还是因为DNA的损伤修复。T细胞中没有大量的DNA断裂损伤，Carm1基因的缺失虽然会加快细胞周期，但是不会出现游离DNA片段激活下游通路。
现在看来这个巧合真是妙。
为了检验CARM1抑制剂的抗癌效果，研究人员用CD8+ T细胞浸润得很差的冷肿瘤分别检验了CARM1抑制剂（EZM2302）单药治疗和联合PD-1抑制剂或CTLA-4抑制剂的抗癌效果。
总的来说，不仅CARM1抑制剂单药表现出一定的抗癌效果，而且CARM1抑制剂联合免疫检查点抑制剂抗癌效果超强。
▲抗癌效果
Wucherpfennig团队认为，他们的研究成果意义重大，因为T细胞耗竭和记忆免疫细胞的缺失是免疫治疗面临的主要障碍。
CARM1抑制剂的使用，可以把冷肿瘤变成热肿瘤，使耐药的实体瘤对细胞毒性T细胞敏感，而且还可以增强T细胞的记忆和持久性。仅就这几点儿而言，CARM1抑制剂真是免疫治疗的黄金搭档。
期待Wucherpfennig团队的研究成果尽快转化，让CARM1抑制剂助免疫治疗一臂之力，让更多的癌症患者从中获益。
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参考文献：
[1].Kumar S, Zeng Z, Bagati A, et al. CARM1 Inhibition Enables Immunotherapy of Resistant Tumors by Dual Action on Tumor cells and T cells[J]. Cancer Discovery, 2021.
[2].Schmid P, Chui S Y, Emens L A. Atezolizumab and Nab-Paclitaxel in Advanced Triple-Negative Breast Cancer. Reply[J]. The New England journal of medicine, 2019, 380(10): 987-988.
[3].Sato E, Olson S H, Ahn J, et al. Intraepithelial CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes and a high CD8+/regulatory T cell ratio are associated with favorable prognosis in ovarian cancer[J]. Proceedings of the national academy of sciences, 2005, 102(51): 18538-18543.
[4].Naito Y, Saito K, Shiiba K, et al. CD8+ T cells infiltrated within cancer cell nests as a prognostic factor in human colorectal cancer[J]. Cancer research, 1998, 58(16): 3491-3494.
[5].Lee Y H, Bedford M T, Stallcup M R. Regulated recruitment of tumor suppressor BRCA1 to the p21 gene by coactivator methylation[J]. Genes & development, 2011, 25(2): 176-188.
[6].Fenech M, Kirsch-Volders M, Natarajan A T, et al. Molecular mechanisms of micronucleus, nucleoplasmic bridge and nuclear bud formation in mammalian and human cells[J]. Mutagenesis, 2011, 26(1): 125-132.
[7].Mackenzie K J, Carroll P, Martin C A, et al. cGAS surveillance of micronuclei links genome instability to innate immunity[J]. Nature, 2017, 548(7668): 461-465.
[8].Bakhoum S F, Cantley L C. The multifaceted role of chromosomal instability in cancer and its microenvironment[J]. Cell, 2018, 174(6): 1347-1360.
本文作者 | BioTalker