撰文 | 咸姐
神经母细胞瘤是一种由发育中的自主神经系统的原始神经嵴细胞引起的恶性肿瘤，是儿童最常见的颅外实体肿瘤，约占儿童癌症死亡的10%。如今采用强化的、多模式的治疗已经改善了高危神经母细胞瘤患童的生存率，尤其是在前期治疗方案中抗GD2抗体的使用被证明可降低复发率，从而显著提高总生存率。GD2是一种双唾液酸神经节苷脂，由神经酰胺通过涉及唾液酰基转移酶和糖基转移酶活性的复杂途径合成，其在几乎所有的神经母细胞瘤肿瘤中都有表达，且在免疫系统的抑制以及转移进展中发挥重要作用【1,2】。尽管如此，许多患者在进行了抗GD2治疗后仍然复发，而目前对其背后的耐药机制了解甚少。
在发育过程中，多能前体细胞表现出表观遗传的异质性，这决定了在谱系关键节点上的分化，其中自主神经系统的祖细胞就分别依赖于关键转录因子PHOX2B或PRRX1的表达而成为肾上腺素能组织或间充质组织。研究表明在神经母细胞瘤中，肿瘤细胞可以利用这些不同的、谱系特异性的表观遗传程序来诱导肿瘤内异质性并驱动治疗耐药性，PRRX1过表达足以诱导肾上腺素能-间充质转化（AMT），而间充质特征在复发的人类神经母细胞瘤中富集【3】。除此之外，最近的研究发现，GD2在神经母细胞瘤中的表达具有异质性，GD2表达丰度与抗GD2治疗反应密切相关【4】，但是神经母细胞瘤细胞下调GD2以避免免疫检测的机制仍不清楚。
近日，来自美国斯坦福大学的Robbie G. Majzner团队在Nature Cancer上在线发表题为T ransition to a mesenchymal state in neuroblastoma confers resistance to anti-GD2 antibody via reduced expression of ST8SIA1的文章，评估了由谱系特异性转录状态引起的肿瘤异质性是否与GD2表达和抗GD2治疗反应相关，发现AMT介导的转录重组可通过下调唾液酸转移酶GD3合成酶（GD3S；ST8SIA1）促进GD2丢失，导致GD2的合成和表达出现瓶颈，从而导致抗GD2抗体失效。而药物抑制H3K27me3组蛋白甲基转移酶EZH2可以使细胞重编程进入肾上腺素能相关状态，重建ST8SIA1和GD2的表达，从而恢复对抗GD2抗体的敏感性。由此确定了发育谱系是抗GD2免疫疗法敏感性的关键决定因素，并提出EZH2抑制剂与抗GD2抗体联合用于临床试验将有助于提高神经母细胞瘤患儿的预后。
本文研究人员首先对代表了神经母细胞瘤中众所周知的基因改变多样性的23个神经母细胞瘤细胞系中的GD2表达进行了分类，其中12种GD2表达高，11种则为GD2表达阴性。为了评估两类细胞系之间差异表达的转录通路，研究人员对癌症细胞系百科全书（CCLE）数据库中的公开的14中细胞系的RNA测序数据进行了分析，结果发现GD2低表的细胞系与间充质样（MES）细胞的特征密切相关，而GD2高表的细胞系与肾上腺素能（ADRN）的特征高度相关。同时几乎所有MES细胞系都是GD2低表的，且大多数ADRN细胞系都是GD2高表的，由此证实神经母细胞瘤可选择与GD2表达改变相关的不同的、谱系相关的转录程序。将MES样SH-EP细胞系（GD2低表）与ADRN样SH-SY5Y细胞系（GD2高表）分别进行抗GD2免疫治疗细胞模型实验，结果显示SH-SY5Y细胞被巨噬细胞吞噬及NK介导的肿瘤细胞杀伤作用显著高于SH-EP细胞系，表明在神经母细胞瘤中，细胞状态与GD2的表达和抗GD2治疗的反应有关。此外，研究人员将Kelly细胞系（GD2表达具有高度异质性）移植到NSG小鼠身上并对其进行抗GD2免疫治疗（给予抗GD2抗体Dinutuximab），发现Dinutuximab可以驱动GD2低表肿瘤细胞在异质性群体中的生长，并选择与MES样基因特征相关的GD2低表细胞。
随后，研究人员在两种ADRN样GD2高表的细胞系中诱导PRRX1的表达，结果发现PRRX的过表达使得两种细胞中ADRN基因显著下调，MES基因显著上调，表现出与AMT一致的转录水平，同时这种转录重组也导致了表面GD2表达显著降低，降低了巨噬细胞和NK细胞对Dinutuximab的治疗反应。进一步地分析发现，ST8SIA1基因与表面GD2表达的缺失高度密切相关，其编码GD3S，可将GM3转化为GD3，随后被B4GALNT1转换为GD2（图1）。利用多个独立的间充质模型，研究人员证实AMT与ST8SIA1 (GD3S) 的低表达相关，这与GD3S与肿瘤细胞GD2表面低表达相关是一致的。在MES细胞系、ADRN细胞系、异质性细胞系以及PRRX1诱导的细胞系中过表达GD3S均可以增强GD2的表达，并且恢复对抗GD2抗体的敏感性，但是过表达GM3S或GD2S均无此效果，提示ST8SIA1是神经母细胞瘤细胞产生GD2的关键部位。对大量神经母细胞瘤样本进行深入分析后也证实，间充质样肿瘤表达较低的ST8SIA1，其决定了肿瘤细胞表面GD2的表达，并可作为抗GD2免疫治疗反应的生物标志物。
图1
鉴于GD2表达与神经母细胞瘤细胞分化状态的关系，研究人员试图更好地理解ST8SIA1启动子的表观遗传调控。实验结果表明，GD2高表细胞中ST8SIA1启动子富含活性H3K27ac标记，而抑制性H3K27me3标记的水平较低，GD2低表细胞中则正好相反。H3K27me3沉积是通过PRC2蛋白复合体的催化亚基EZH2介导的，被认为是通过压实染色质来抑制基因表达的。实验结果显示，Tazemetostat（FDA批准的唯一EZH2/PRC2抑制剂）可诱导间充质神经母细胞瘤中肾上腺素能基因表达程序，并诱导ST8SIA1启动子处失去H3K27me3标记并获得H3K27ac标记，以显著上调ST8SIA1的表达，从而增加GD2的表达和对抗GD2抗体的反应。小鼠体内实验也证实Tazemetostat与Dinutuximab的联合治疗可以显著减少GD2低表MES样肿瘤负荷，EZH2抑制剂可阻止神经母细胞瘤细胞利用谱系可塑性逃避免疫治疗，并可与抗GD2抗体有效结合以增强其作用，并且EZH2的抑制并不会影响非肿瘤细胞表明GD2的表达，因此抑制EZH2是提高抗GD2抗体方案疗效的一种非常有潜力的机制，理应在临床试验中进行评估。
综上所述，本研究证明了谱系可塑性是神经母细胞瘤中GD2表达的关键调节因子，决定了其对抗GD2抗体的反应性。间充质细胞系通过上游催化酶 ST8SIA1（GD3S）的 EZH2 依赖性调节表达较低水平的 GD2 抗原。抑制EZH2可在体外和体内恢复GD3S的表达和对Dinutuximab的敏感性，由此强调了一种在临床上增强抗 GD2 治疗反应性的联合药理学策略，从而改善晚期神经母细胞瘤患者的预后（图2）。
图2
https://doi.org/10.1038/s43018-022-00405-x
制版人：十一
参考文献
1. Berois, N. & Osinaga, E. Glycobiology of neuroblastoma: impact on tumor behavior, prognosis, and therapeutic strategies.Front. Oncol.4, 114 (2014).
2. Wu, Z. L., Schwartz, E., Seeger, R. & Ladisch, S. Expression of GD2 ganglioside by untreated primary human neuroblastomas.Cancer Res. 46, 440–443 (1986).
3. van Groningen, T. et al. Neuroblastoma is composed of two super-enhancer-associated differentiation states.Nat. Genet.49, 1261–1266 (2017).
4. Terzic, T. et al. Expression of disialoganglioside (GD2) in neuroblastic tumors: a prognostic value for patients treated with anti-GD2 immunotherapy.Pediatr. Dev. Pathol.21, 355–362 (2018).
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