【STTT文献速递】STAT5在急性髓系白血病中驱动免疫抑制的潜在机理

文摘 2024-11-04 18:31 北京

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背景

急性髓系白血病（AML）是一种异质性和免疫抑制的恶性肿瘤。它每年在全球造成8万多人死亡，到未来20年，死亡人数将增加一倍以上。10-40%的新诊断患者在初始治疗后未能达到完全缓解，部分患者即使获得完全缓解也会复发。因此，迫切需要更有效的治疗AML的方法。

肿瘤已经进化出多种生物模式来逃避免疫监视，例如阻断抗原呈递和募集免疫抑制细胞。程序性细胞死亡蛋白1/程序性细胞死亡配体1（PD-1/PD-L1）是抑制免疫细胞过度活化和预防自身免疫性疾病的最关键的免疫检查点轴之一。同时，PD-1/PD-L1的上调可以负性调节淋巴细胞的激活并操纵肿瘤中的免疫抑制微环境。既往研究表明，在预后不良的AML患者中可以检测到PD-L1和/或PD-L2，并且与健康供者相比，新诊断和复发的AML患者的CD8+T细胞中PD-1的表达也显著升高，暗示免疫检查点蛋白将作为AML的治疗靶点。目前，免疫检查点抑制剂已在髓系恶性肿瘤中应用。因此，阐明驱动PD-L1表达的潜在机制可以为AML免疫治疗的预后预测提供依据。

STAT5是一种转录因子，据报道对多系淋巴细胞发育至关重要。STAT5的募集通过磷酸化、二聚化和易位到细胞核，然后结合DNA序列来调节基因的表达。STAT5的组成激活已在血液恶性肿瘤中被注意到，并且与对酪氨酸激酶抑制剂的抗性有关。在T细胞白血病中，STAT5表现出独特的DNA结合活性，并将细胞代谢转变为有氧糖酵解。

先前的研究表明，有氧糖酵解促进PD-L1表达并导致肿瘤免疫逃逸，而阻断PD-1和PD-L1之间的结合允许T细胞糖酵解和IFN-γ的产生。同时，糖酵解肿瘤细胞来源的乳酸通过减少增殖和细胞因子的产生来抑制细胞毒性T淋巴细胞，这表明靶向乳酸代谢是一种很有前景的增强肿瘤免疫原性的方法。然而，STAT5是否可以通过糖酵解触发乳酸生成来驱动AML的免疫抑制还有待阐明。

研究结果

STAT5通过干扰AML患者的T细胞功能来减弱免疫状态

作者使用GSE9476数据集在健康供者和AML患者之间进行了GSEA，结果显示AML患者中多种免疫相关通路下调（图1a）。通过验证T细胞标记在AML患者和健康供者外周血单个核细胞（PBMCs）上的表达，作者观察到AML患者CD8+T细胞中PD-1和TIM-3的表达明显上调（图1b）。这些结果表明，AML患者的T细胞免疫状态严重失调。

作者利用GSE116256分析STAT5在AML和健康供者中的表达，结果显示STAT5 在AML患者中高表达（图1c, d）。高STAT5表达与较短的总生存期显著相关（图1e）。作者比较了AML的骨髓单核细胞（BMMC）和外周血单核细胞（PBMC）之间的T细胞功能差异，PD-1和CD69在BMMC中的表达增加（图1f）。随后，作者发现STAT5表达与BMMC的CD8 + T细胞上的PD-1呈正相关（图1g）。因此，STAT5可能干扰患者T细胞的功能。

STAT5的组成型活化促进AML细胞中的糖酵解

由于STAT5参与控制细胞代谢，作者通过鉴定GSE12417中的差异表达基因，评估STAT5如何影响AML的糖酵解。GSEA显示，STAT5高表达的AML患者的代谢途径上调（图2a）。作者构建了STAT5组成激活（cS5）AML细胞，发现STAT5促进糖酵解酶的表达，包括HK1、PFKP 和PDHA，也促进代谢增强的指标磷酸化AKT（p-AKT）（图2b-d）。此外，糖酵解基因的荧光素酶报告基因活性被STAT5强效诱导（图2e）。

STAT5可以激活HK1、FKP 和PDHA的启动子，促进它们的转录，进而上调葡萄糖代谢。作者进行了GC-MS非靶向代谢组学研究cS5过表达的AML细胞的代谢产物，发现112种代谢物发生了改变（图2f）。如图2g所示，通过 KEGG 富集分析，cS5过表达的AML细胞中的葡萄糖、氨基酸和核苷酸代谢等代谢途径发生了变化。此外，糖酵解中的葡萄糖、柠檬酸、异柠檬酸等在cS5过表达的AML细胞中增加（图2h）。cS5过表达的白血病细胞表现出糖酵解代谢的显著增加，通过增强葡萄糖摄取（图2i）、乳酸生成（图2j）和丙酮酸含量（图2k）来判断。同时，糖酵解应激试验也表明，cS5过表达的AML细胞的细胞外酸化率升高（图2l）。STAT5的敲低（图2m）降低了乳酸的产生和丙酮酸含量（图2n,o）。作者进一步证实STAT5的表达与AML患者骨髓中的乳酸生成呈正相关（图2p）。这些结果表明，STAT5可以上调AML中的糖酵解。通过去除培养基中的葡萄糖，这种作用得以恢复（图2q, r）。将AML细胞暴露于2-脱氧-d-葡萄糖（2-DG）后，cS5诱导的增殖可以逆转（图2s），这表明STAT5主要通过增加糖酵解来促进白血病生长。

STAT5介导乳酸诱导的AML细胞中PD-L1表达

cS5显著上调了PD-L1的表达（图 3a, b）。将乳酸直接供给AML细胞，诱导PD-L1表达（图3c）。PD-L1表达与AML患者骨髓中STAT5表达或乳酸含量呈正相关（图3e, f）。流式细胞术和qPCR显示葡萄糖刺激的AML细胞中PD-L1表达增加（图3g,h）。相反，当cS5过表达的AML细胞暴露于2-DG时，PD-L1表达和乳酸含量减弱（图3i）。在STAT5敲除的AML细胞中，PD-L1的减少可以通过额外的乳酸恢复（图3j）。此外，AML细胞暴露于不同的化合物中，这些化合物可以将氧化磷酸化转变为糖酵解。结果显示，AML细胞中PD-L1表达与乳酸生成呈正相关（图3k）。乳酸暴露后PD-L1启动子活性明显增强（图3l）。因此，乳酸可刺激PD-L1启动子启动PD-L1表达。

乳酸通过组蛋白乳酸化激活PD-L1基因表达

STAT5可以增加AML细胞中组蛋白的泛乳酸化（Kla），而2-DG则相反（图4a）。作者用额外的乳酸培养AML细胞，并注意到组蛋白Kla被显著诱导（图4b）。接下来，作者发现STAT5诱导H3K18、H4K5、H4K8和H4K12的乳酸化水平（图4c）。培养液中额外的乳酸显著诱导特定残基的组蛋白乳糖化（图4d）。通过将AML细胞暴露于不同浓度的葡萄糖或2-DG来改变乳酸生成可以分别改变乳酸化（图4e）。此外，在STAT5敲除的AML细胞中观察到组蛋白乳酸化减弱（图4f）。同时，免疫荧光分析也支持上述结果（图4h）。在cS5过表达的AML细胞中，PD-L1启动子区域中H4K5的乳酸化水平显著富集（图4i）。此外，通过将 AML 细胞暴露于更高浓度的葡萄糖中以诱导细胞内乳酸生成，H4K5乳酸化的富集也增加了(图4j)。因此，乳酸激活的PD-L1 基因表达可能是通过PD-L1启动子上的组蛋白乳酸化实现的。

E3BP的核定位促进AML细胞中的H4K5乳酸化

为了寻找AML细胞中调节组蛋白乳酸化的分子，作者使用LC-MS/MS验证了乳酸化H4K5的结合蛋白。结果表明，丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物的组成部分E3BP可以与白血病细胞中的乳酸化H4K5相互作用 (图5a)。在STAT5高表达的AML患者中，E3BP（PDHX）基因表达升高（图5b）。E3BP在AML细胞中显著诱导组蛋白乳酸化，包括H3K18、H4K5、H4K8和H4K12（图5c）。此外，E3BP过表达后，Kla和H4K5乳酸化升高（图5d, e）。在cS5过表达的AML细胞中，E3BP在细胞核中富集，这表明E3BP核定位受STAT5调节（图5f）。E3BP核易位在乳酸处理的AML细胞中升高（图5g-i）。在乳酸处理后，E3BP更易与乳酸化H4K5相互作用（图5j, k）。AML细胞在E3BP过表达后表现出更高的PD-L1水平（图5l）。这些结果表明，乳酸促进E3BP核易位有助于组蛋白乳酸化。

STAT5通过上调PD-L1表达抑制T细胞活化

在STAT5高表达的AML细胞中，免疫评分降低，CD8+T细胞含量下降（图6a, b）。在cS5衍生的条件培养基中共培养的Jurkat细胞和对照的AML细胞的活化水平相当。然而，Jurkat细胞与cS5 AML细胞直接接触显示，Jurkat细胞中CD69的表达明显下调（图6c），这表明STAT5 可能通过诱导PD-L1表达来抑制Jurkat细胞的活化。作者进一步生成PD-L1敲除HL-60 cS5 细胞（图6d），然后与Jurkat细胞共培养。Jurkat细胞通过PD-L1敲除被重新激活（图6e）。通过使用PD-1中和抗体托利单抗治疗Jurkat细胞，阻断PD-1/PD-L1 相互作用，也恢复了Jurkat细胞的活化（图6f, g）。PBMCs的CD8+ T细胞在与PD-L1 KO HL-60 cS5细胞共培养或暴露于特瑞普利单抗后被重新激活（图6h, i），支持AML中PD-L1抑制可能恢复被STAT5抑制的CD8+ T细胞激活。

研究结论

综上所述，由STAT5驱动的乳酸累积促进了PD-L1启动子上组蛋白的乳酸化，并最终诱导PD-L1的表达。免疫检查点抑制剂可以阻断STAT5高表达AML中PD-1/PD-L1的相互作用，并重新激活CD8+T细胞。因此，作者的研究证明了新陈代谢-表观遗传学-免疫网络在急性髓细胞性白血病进展中的作用，STAT5诱导的乳酸可作为抗PD- (L)1免疫疗法应用于AML的预测性生物标志物。

参考文献：

Huang ZW, Zhang XN, Zhang L, Liu LL, Zhang JW, Sun YX, Xu JQ, Liu Q, Long ZJ. STAT5 promotes PD-L1 expression by facilitating histone lactylation to drive immunosuppression in acute myeloid leukemia. Signal Transduct Target Ther. 2023 Sep 30;8(1):391. doi: 10.1038/s41392-023-01605-2.

（来源：浙一血液）

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