代谢重编程被认为是肿瘤的重要特征之一。有研究表明，代谢物可以通过直接与信号蛋白相互作用或调节其翻译后修饰来调节信号蛋白发挥作用。然而，肿瘤的代谢重编程能否以及如何促进其免疫逃逸仍有待研究。阐明代谢重编程（代谢酶和代谢物的改变）在肿瘤细胞和免疫细胞相互对抗中的作用及其机制，对肿瘤免疫治疗的探索至关重要。前期研究主要从免疫细胞代谢或肿瘤微环境对免疫细胞的影响这一角度展开。而从肿瘤细胞自身的角度，即肿瘤细胞内代谢酶和代谢物的改变是否以及如何直接增强其抵御免疫攻击的能力仍有待阐明。

     来自天津医科大学王霆研究团队和余秋景研究团队合作在 Nature Communications杂志上发表题为“The folate cycle enzyme MTHFD2 induces cancer immune evasion through PD-L1 up-regulation”的研究文章，揭示了叶酸循环代谢酶MTHFD2通过上调肿瘤细胞PD-L1的表达，促进多种肿瘤细胞的免疫逃逸。

1. 叶酸循环酶有助于肿瘤抵抗细胞毒性T细胞

博士生尚曼等首先通过基于CRISPR代谢基因文库的功能实验，系统性地分析了约3000种代谢基因（包括所有代谢酶和代谢物转运蛋白等）在胰腺肿瘤细胞抵抗效应T细胞杀伤中的作用。进一步结合19种人类肿瘤中表达均上调的基因meta分析，最后关注到胚胎期细胞特异表达的叶酸循环关键酶——亚甲基四氢叶酸脱氢酶2（MTHFD2）（成体细胞表达功能一致但活性远低的MTHFD2L）。TCGA数据分析也发现高表达MTHFD2的胰腺癌、肝癌、肾透明细胞癌、乳腺癌及肺腺癌患者生存期明显缩短。利用siRNA敲降MTHFD2后，T细胞诱导的细胞死亡显著增加，此外，MTHFD2 也被报道在多种类型的人类肿瘤中表达。表明MTHFD2可能是一种癌症治疗的安全靶点。

2. MTHFD2通过上调PD-L1的表达促进肿瘤免疫逃逸

为了探索 MTHFD2 在免疫逃避中的作用机制，对MTHFD2-KD SW1990细胞进行了转录组测序，GSEA 分析显示“免疫反应”的基因集在 KD 癌细胞中富集。此外，PD-L1 mRNA和蛋白质在MTHFD2 KD和KO的人类癌细胞系中减少，外源的MTHFD2共培养促进了 PD-L1 mRNA和蛋白质表达。这些数据表明MTHFD2主要通过上调PD-L1的表达保护肿瘤细胞免受效应T细胞的杀伤。

3.  MTHFD2由IFN-γ诱导并参与IFN-γ介导的PD-L1调节

在肿瘤中，通常是淋巴细胞分泌的细胞因子，例如IFN-γ，调控PD-L1维持显著表达水平。为了确定MTHFD2是否也参与 IFN-γ 刺激的PD-L1表达，研究人员检测了多种不同肿瘤细胞系中的mRNA和蛋白质表达水平，发现IFN-γ诱导的PD-L1 mRNA和蛋白质同样被MTHFD2 KD抑制，且在这些肿瘤细胞中MTHFD2的表达受到IFN-γ的显著促进。表明是MTHFD2参与了IFN-γ诱导的PD-L1表达的初始过程。

4. MTHFD2的代谢功能通过尿苷相关代谢物促进蛋白质PD-L1转录

研究人员通过代谢组学检测发现，在MTHFD2耗尽的癌细胞中，很大一部分差异的代谢物是核苷或核苷衍生物；此外，观察到丝氨酸积累和SAM减少。结果显示，MTHFD2通过增强细胞UTP/UDP促进 PD-L1转录。

5. 蛋白质O-GlcNAc糖基化介导MTHFD2和尿苷相关代谢物增强PD-L1转录

为了研究 UTP/UDP 如何介导这一过程，研究人员进一步分析了所有与尿苷相关的代谢物，观察到UDPGlcNAc——蛋白O-GlcNAc糖基化的供体底物，在KD细胞中被显著抑制，并在外源性 UTP/UDP处理后水平恢复。这些数据表明蛋白质O-GlcNAc糖基化修饰介导MTHFD2增强PD-L1表达。

6. MTHFD2通过cMYC蛋白的O-GlcNAc糖基化促进PD-L1转录

为了确定哪些糖基化修饰蛋白有助于PD-L1 转录，研究人员在转录组数据中进一步分析了可能在功能上受MTHFD2-KD影响的转录因子，发现转录因子cMYC的转录活性在MTHFD2-KD癌细胞中受到抑制。数据表明 cMYC作用于MTHFD2/UTP/UDP的下游并有助于PD-L1 转录。

7. MTHFD2上调PD-L1是肿瘤发生所必需的

为了进一步探索MTHFD2在体内肿瘤发展中的作用，研究人员构建了胰腺癌PDX模型。观察到shMTHFD2对肿瘤生长的抑制和PD-L1表达在 C57小鼠中被显著逆转。表明MTHFD2的PD-L1上调作用是肿瘤发展所必需的。

总之，MTHFD2高效驱动叶酸循环以维持高水平尿苷相关代谢物如UTP/UDP；细胞中高水平的以及外源的UTP/UDP均可刺激PD-L1表达，且主要通过己糖胺生物合成途径（HBP）上调UDP-GlcNAc，并进一步促进包括cMYC在内的蛋白质的O-GlcNAc修饰，T58位O-GlcNAc修饰促进cMYC蛋白稳定及其对PD-L1的转录活性。在胰腺癌患者样本中，总蛋白O-GlcNAc水平与MTHFD2和PD-L1均呈正相关。

肿瘤细胞必须适应不断变化的微环境，这些微环境不仅含有营养物质，还含有免疫细胞。细胞总体蛋白O-GlcNAc修饰增加是重要的细胞生长增殖激活信号，MTHFD2作为合成代谢酶同时以O-GlcNAc修饰激活相关信号，促进合成代谢产生的生物分子的利用；因此，该研究也提出了一种协调细胞命运和代谢状态的细胞生物学机制。该研究揭示了MTHFD2介导肿瘤免疫逃逸的作用；而在正常体细胞叶酸循环是以MTHFD2L发挥相应功能，提示MTHFD2可能成为肿瘤免疫治疗中更为安全的靶点。

天津医科大学药理学系王霆教授和免疫学系余秋景教授为该论文共同通讯作者，博士生尚曼和杨会洁为论文共同第一作者。该研究得到同济大学附属东方医院陈涛研究员支持，得到中科院刘新垣院士及章康健副研究员研发团队支持；靶向MTHFD2的肿瘤治疗转化研究由刘新垣院士及章康健博士等共同创建的上海元宋生物技术公司院士工作站和王霆团队合作进行。

摘要：Metabolic enzymes and metabolites display non-metabolic functions in immune cell signalling that modulate immune attack ability. However, whether and how a tumour’s metabolic remodelling contributes to its immune resistance remain to be clarified. Here we perform a functional screen of metabolic genes that rescue tumour cells from effector T cell cytotoxicity, and identify the embryo- and tumour-specific folate cycle enzyme methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2 (MTHFD2). Mechanistically, MTHFD2 promotes basal and IFN-γ-stimulated PD-L1 expression, which is necessary for tumourigenesis in vivo. Moreover, IFN-γ stimulates MTHFD2 through the AKT–mTORC1 pathway. Meanwhile, MTHFD2 drives the folate cycle to sustain sufficient uridine-related metabolites including UDP-GlcNAc, which promotes the global O-GlcNAcylation of proteins including cMYC, resulting in increased cMYC stability and PD-L1 transcription. Consistently, the O-GlcNAcylation level positively correlates with MTHFD2 and PD-L1 in pancreatic cancer patients. These findings uncover a non-metabolic role for MTHFD2 in cell signalling and cancer biology.

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22173-5 

参考文献：Shang, M., Yang, H., Yang, R. et al. The folate cycle enzyme MTHFD2 induces cancer immune evasion through PD-L1 up-regulation. Nat Commun 12, 1940 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22173-5