前言

粘蛋白(MUC)家族是一組高度糖基化的大分子,在哺乳動物上皮細胞中大量表達。粘蛋白有助于粘液屏障的形成,因此對感染具有保護作用。有趣的是,一些MUC蛋白在癌細胞中異常表達,并參與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展,包括細胞生長、增殖、凋亡抑制、化療耐藥、代謝重編程和免疫逃避。

由于其獨特的生物學和結構特征,MUC蛋白被認為是某些癌癥的重要生物標志物,以及非常具有前景的治療靶點。

粘蛋白的結構和分類

粘蛋白分為兩類:分泌粘蛋白和跨膜粘蛋白。分泌性粘蛋白包括凝膠形成粘蛋白和非凝膠形成粘蛋白,包括MUC2、MUC5AC、MUC5B、MUC6、MUC7、MUC8、MUC9(OVGP1)和MUC19。跨膜粘蛋白還包括一個跨膜結構域和一個細胞內結構域,包括MUC1、MUC3A、MUC3B、MUC4、MUC12、MUC13、MUC14(內皮粘蛋白)、MUC15、MUC16、MUC17、MUC20、MUC21和MUC22。

跨膜粘蛋白是單次跨膜的I型膜蛋白,其N端胞外區(qū)域包括串聯(lián)重復序列(TR)結構域、SEA(海膽精子蛋白-腸激酶-聚集蛋白)結構域和/或EGF(表皮生長因子)樣結構域。TR結構域包含數(shù)量可變的重復氨基酸序列,富含絲氨酸、蘇氨酸和脯氨酸(S/T/P)。這些S/T/P殘基是O-連接N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)加成的位點,以啟動進一步的N-連接糖基化鏈反應。TR結構域由于其高度糖基化的結構而成為這些分子的物理和化學特征的基礎,例如潤滑或免疫保護。

SEA結構域有一個高度保守的裂解位點,位于細胞膜外側附近�？缒ふ车鞍椎牡鞍姿�解裂解將它們分成一個N端亞單位(包含TR結構域)和C端亞單位(包含跨膜和細胞質結構域)。這兩個亞單位可以形成一個非共價且穩(wěn)定的復合物。EGF樣結構域與一些生長因子序列同源,并與ErbB受體等生長因子受體相互作用。

MUC1是第一個被識別的粘蛋白,也稱為EMA(腫瘤相關上皮膜抗原)或CD227,是一種大的糖基化蛋白質,根據糖基化狀態(tài),其預期分子量在120到500 kDa之間。MUC1中的可變數(shù)量串聯(lián)重復序列(VNTR)域由20個氨基酸(PAPGSTAPPAHGVTSAPDTR)的20–125個重復序列組成。MUC1還包含110個氨基酸長度的SEA、短跨膜區(qū)和74個氨基酸的胞內區(qū)。其胞內結構域具有幾個短的(4～9個氨基酸)蛋白質結合基序,促進其與GSK3β(糖原合成酶激酶3β)、β-連環(huán)蛋白、GRB2(生長因子受體結合蛋白2)、SRC和ESR1(雌激素受體1)的相互作用。此外,它還擁有一個p53結合區(qū),這是一個相對較長的37個氨基酸序列。

MUC16(CA125)是最大的跨膜粘蛋白,由于已知MUC16在卵巢癌細胞表面過表達并分裂/脫落到血液中,因此它是卵巢癌的一種公認的血清生物標記物。MUC16包含約14000個氨基酸,分子量在1．5到5 MDa之間。MUC16包含三個主要結構域:N端結構域(MUC16-N)、串聯(lián)重復結構域(MUC16-TR)和C端結構域(MUC16-C)。其N-末端結構域在一個約12000個氨基酸長的富含蘇氨酸區(qū)域內包含多個富含絲氨酸的區(qū)域,該區(qū)域僅為O-糖基化。TR結構域包含156個氨基酸的12～60個重復序列,具有散布的SEA結構域,其中包含O-連接和N-連接的糖基化位點。MUC16的C端結構域包括一個胞外結構域、短跨膜區(qū)和一個32個氨基酸的胞內結構域。

跨膜粘蛋白在腫瘤發(fā)生中的作用

腫瘤發(fā)生是一個復雜的過程,涉及細胞內外的各種事件,許多報道表明,跨膜粘蛋白可能在腫瘤發(fā)生和進展中發(fā)揮多種作用。

促進癌細胞增殖

癌細胞的基本特征之一是由異常生長信號通路維持的無限增殖潛能。致癌突變或受體酪氨酸激酶(RTK)的過度表達賦予生長因子信號的組成性激活。MUC1的細胞質結構域具有多個蛋白質結合基序和磷酸化位點,已知RTK與MUC1直接相互作用可以產生致癌信號。

ErbB是一個RTK家族,MUC1與所有ErbB家族受體相互作用,相互傳遞致癌信號。此外,MUC1還與成纖維細胞生長因子受體3(FGFR3)結合,FGFR3是腫瘤發(fā)生中的另一個關鍵RTK。在FGF1配體刺激下,FGFR3與MUC1相互作用并磷酸化MUC1細胞質結構域的YEKV基序。

抗凋亡作用

癌癥的另一個重要標志是抗凋亡細胞死亡。癌細胞通過各種機制逃避應激誘導的凋亡,MUC1具有促進這種生存的保護作用。首先,MUC1通過DNA復制機制或抗癌藥物的作用減弱DNA損傷引起的遺傳毒性應激。MUC1通過與p53調節(jié)域和p53反應元件的直接關聯(lián)來調節(jié)p53依賴性基因轉錄。另一方面,MUC1通過轉錄多藥耐藥(MDR)基因直接利用藥物外排系統(tǒng),據報道,該基因可保護肺癌和胰腺癌細胞免受化療的影響。

MUC1可以減弱線粒體凋亡因子,如細胞色素c或Bcl-xL,保護癌細胞免受阿糖胞苷、吉西他濱和順鉑等抗癌基因毒素的侵害。此外,MUC1還通過清除氧化應激為癌細胞提供生存優(yōu)勢,MUC1去磷酸化并激活FOXO3a,FOXO3a激活誘導其核定位和隨后的ROS清除基因轉錄激活。

MUC16也被認為在癌細胞中起著抗凋亡的作用。MUC16 c端結構域的異位表達誘導卵巢癌細胞對順鉑產生耐藥性,該作用是通過抑制p53介導的。盡管其結合蛋白和耐藥表型的確切分子機制尚不清楚,但MUC16的胞內結構域被認為具有與MUC1相當?shù)男盘栕饔谩?/p>

能量代謝重編程

各種癌癥組織中粘蛋白表達的改變被認為是能量代謝重編程的調節(jié)因素。一項早期研究中證明MUC1可以增加胰腺癌患者的糖代謝水平。在原位胰腺癌小鼠模型中,MUC1過表達也與葡萄糖攝取增加以及HIF-1α、GLUT1和LDHA蛋白表達相關。

脂質代謝的改變也與癌癥的進展有關。一項研究提出了一個包含38個基因的子集,命名為MLMS(MUC1誘導的脂質代謝信號),由與MUC1轉化的3Y1細胞中脂質代謝相關的差異表達基因組成。在tamoxifen治療的乳腺癌患者中,MLMS過度表達與不良預后相關,表明脂質代謝改變可能導致tamoxifen耐藥。

EMT與轉移

最近,一系列研究支持了粘蛋白在乳腺癌和胰腺癌EMT中的作用。對MUC1過表達細胞和敲除小鼠模型的分析表明,胰腺癌中MUC1強烈影響EMT過程。例如,當MUC1胞內結構域中的所有酪氨酸殘基被苯丙氨酸取代時,EMT被阻斷。該MUC1突變體不能與β-連環(huán)蛋白結合,因此無法轉移到細胞核以促進EMT基因的轉錄。

MUC16也是胰腺癌中EMT的介質,其敲除導致癌細胞在體外遷移減少,在體內轉移減少。事實上,最近描述的MUC16和FAK之間的相互作用被認為是胰腺癌轉移的一種機制。

逃避免疫監(jiān)視

由于在正常上皮細胞中表達的粘蛋白在抵抗細菌感染的粘膜免疫中具有重要作用,癌癥相關粘蛋白被認為可以調節(jié)腫瘤免疫。粘蛋白參與多種策略以逃避宿主免疫,包括(1)阻斷免疫細胞和癌細胞之間的相互作用,(2)通過共刺激或共抑制分子調節(jié)免疫細胞信號,以及(3)調節(jié)促炎細胞因子的產生。由于其胞外區(qū)域的巨大糖基化結構,粘蛋白對細胞間的相互作用具有抑制作用。

TCGA樣本的免疫細胞浸潤分析表明粘蛋白mRNA表達與腫瘤細胞毒性淋巴細胞浸潤之間存在強烈的負相關。此外,癌細胞表面過度表達的MUC1和MUC4為癌細胞和細胞毒性淋巴細胞之間的結合提供了空間障礙,導致癌細胞裂解減少。癌細胞上的糖基化MUC1直接與免疫細胞(包括巨噬細胞)上表達的選擇素或siglec家族蛋白結合,并抑制其功能。此外,MUC1通過與T細胞上的細胞間粘附分子1(ICAM-1)結合并抑制其功能而發(fā)揮免疫檢查點分子的作用。

MUC靶向的腫瘤治療

許多研究表明,粘蛋白是癌癥治療的有希望的靶點。由于其在腫瘤信號轉導途徑中的作用,跨膜粘蛋白的信號通路可能在抗腫瘤治療研究中具有特殊的潛力。膜結合粘蛋白的胞外結構域也可以作為抗體介導治療的良好靶點,如中和抗體、CAR-T、BsAb和ADC。某些粘蛋白的癌癥特異性表達也表明了開發(fā)基于粘蛋白抗原的癌癥疫苗的可能性。

MUC1的靶向治療

MUC1的多種候選治療藥物正在開發(fā)中,用于多種癌癥類型,包括實體瘤和血液瘤。

GO-203是MUC1二聚化的細胞穿透肽抑制劑,其直接結合到MUC1胞內結構域的CQCRK區(qū)域。GO-203通過阻斷多種腫瘤類型中的AKT途徑而具有抗腫瘤效力。GO-203還顯示出與化療耐藥癌細胞或難治癌癥類型的標準化療相結合的潛力。

選擇性RNA適配體結合MUC1胞外結構域是靶向MUC1的另一種策略。將抗腫瘤微RNA導入MUC1過度表達的癌細胞,這些搭載miRNA-29b的雜交納米粒通過下調DNMT3B在肺癌小鼠模型中顯示抗腫瘤作用。此外,使用雙有效載荷策略,geistein-miRNA-29b雙共軛雜化納米顆粒通過靶向AKT、PI3K、DNMT3B和MCL-1在小鼠肺癌模型中顯示出比單一有效載荷納米顆粒更大的效力。

基于抗體的治療方法,如ADC、BiTE和CAR-T以及中和治療性抗體都在積極開發(fā)中。BM7-PE和M-1231是目前臨床試驗中MUC1 ADC的主要候選藥物。BM7-PE是由抗MUC1抗體BM7與假單胞菌外毒素A(PE)偶聯(lián)的ADC。在一項臨床前研究中,BM7-PE在乳腺癌裸鼠模型中顯示出抗轉移作用并促進長期存活。BM7-PE目前正在進行轉移性結直腸癌的1/2期臨床試驗(NCT04550897)。M-1231是一種針對EGFR和MUC1的雙特異性抗體的ADC,目前正在進行各種轉移性實體瘤的1期臨床試驗。

Pab-001是針對OT-MUC1(腫瘤栓系MUC1)的第一類治療性抗體。Pab-001-MMAE ADC在各種臨床前環(huán)境中對TNBC和其他癌癥顯示出有希望的結果。DS-3939是一種PankoMab GEX(gatipotuzumab)ADC,靶向腫瘤特異性粘蛋白碳水化合物-蛋白質表位(TA-MUC1),目前正在同時開發(fā)使用PankoMab的雙特異性抗體。PM-CD3-GEX是一種BiTE,它將抗腫瘤CD3+T細胞招募到表達MUC1的癌細胞。PM-IL15-GEX將IL-15與PankoMab GEX結合起來,同時刺激抗腫瘤NK或T細胞。PM-PDL-GEX是一種針對MUC1、PD-L1和FcγR的三功能抗體。

目前也正在開發(fā)幾種針對MUC1抗原的CAR-T療法。由Tmunity Therapeutics開發(fā)的Tn-MUC1-CAR是領先的MUC1-CAR-T細胞療法,目前正在進行1期臨床試驗(NCT04025216)。由于Tn(GalNAcα1-O-Ser/Thr)是癌癥組織中最常見的異常糖類,因此MUC1的Tn糖類(Tn-MUC1)是CAR治療的一個有希望的靶點。Tn-MUC1 CAR-T已顯示出針對T細胞淋巴瘤和胰腺腫瘤的靶向抗腫瘤效力。

Leucid Bio開發(fā)的MUC-1 pCAR是一個平行CAR平臺,分別引入兩個具有不同抗原結合域和共刺激域的嵌合抗原受體(WO2020183158)。這種雙重受體的組合有望使T細胞對MUC1陽性腫瘤具有更高的特異性,并且比標準CAR-T更有效。

Minerva Biotechnologies Corp開發(fā)的huMNC2-CAR44 T細胞可對抗實體癌細胞上的MUC1裂解形式,huMNC2-CAR44正在進行乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌和肺癌的1期臨床試驗(NCT04020575),這些腫瘤均是MUC1高表達的腫瘤類型。

ONKT-103是ONKTherapeutics開發(fā)的MUC1靶向CAR-NK細胞療法。ONKT-103通過引入DR5-TRAIL變體死亡受體信號通路,最大限度地發(fā)揮抗腫瘤活性,ONKT-103目前處于臨床前階段。

MUC16和其他粘蛋白靶向治療

與MUC1一樣,其他膜結合粘蛋白也被認為是抗癌治療的潛在靶點。

Oregovomab(OvaRex)是臨床試驗中研究的第一種單克隆抗體藥物。Oregovomab以高親和力結合MUC16的糖基化區(qū)域,并通過抗獨特型抗體級聯(lián)反應誘導間接免疫反應。Oregovomab與卡鉑和紫杉醇(CP)聯(lián)合治療97例III/IV期卵巢癌患者的2期臨床試驗顯示了非常有希望的結果。與CP對照組相比,CP加oregovomab組的無進展生存期(PFS)結果為41．8個月,而CP組為12．2個月(p=0．0027)。CP與oregovomab聯(lián)合給藥導致外周血中MUC16特異性IFN-γ+CD8+T淋巴細胞增加。然而,盡管與標準化療的聯(lián)合研究結果令人鼓舞,但oregovomab的單一療法在2期和3期臨床試驗中并未顯示出臨床益處。oregovomab的另一個3期臨床試驗(NCT04498117)正在進行中。

Abagovomab是針對抗MUC16抗體OC125產生的抗獨特型抗體。Abagovomab誘導特異性免疫反應,進而激活針對表達MUC16的癌細胞的細胞毒性反應。作為一種用于維持治療的卵巢癌疫苗,在1b/2期試驗中,abagovomab在免疫應答和總生存期(OS)方面改善(23．5個月vs．4．9個月;p<0．001)。然而,一項涉及888名患者的多中心3期臨床研究(NCT00418574)未能證實這些臨床益處。

DMUC5754A(RG-7458,sofituzumab-vedotin)是一種ADC,包含人源化抗MUC16抗體,與MMAE偶聯(lián)。對鉑類耐藥卵巢癌(OC)和不可切除胰腺癌(PC)患者進行的1期研究顯示,盡管DMUC5754A具有安全性,但OC患者的有效率僅為17%(5/29;1 CR;4 PRs),PC患者均未觀察到CR或PR。

Regeneron目前正在開發(fā)MUC16的BiTE,在小鼠和猴子模型中,REGN4018顯示出MUC16依賴性抗腫瘤效力和良好的耐受性。REGN4018目前正在進行2期臨床試驗,單獨或與PD-1抗體cemiplimab或REGN5668(MUC16/CD28 BiTE)聯(lián)合治療復發(fā)性卵巢癌患者(NCT03564340、NCT04590326)。

JCAR-020由Juno/Celgene/Bristol-MyersSquibb開發(fā),是一種含有IL-12受體激動劑的MUC16CAR-T細胞療法。JCAR-020目前正在進行一期臨床試驗(NCT02498912)。

除了MUC1和MUC16外,其他跨膜粘蛋白也被評估為潛在的癌癥靶點。Amgen正在開發(fā)一種針對CD3和MUC17的BiTE,用于治療胃癌和食管癌,目前正在進行一期試驗(WO2019133961A1,NCT04117958)。

腫瘤疫苗

除了以粘蛋白為靶點的被動免疫療法,粘蛋白抗原疫苗也被積極嘗試用于治療各種實體瘤。

CVac是用甘露糖基化MUC1蛋白誘導的自體單核細胞衍生DC。目前已經對這些細胞進行了兩項2期臨床研究:一項用于標準化療后病情進展的晚期OC患者,另一項用于OC患者臨床緩解后的維持治療。CVac DC疫苗被發(fā)現(xiàn)具有足夠的安全性,副作用最小,但與單獨標準化療相比,未能增加PFS。

ImMucin是一種21肽疫苗,包含MUC1蛋白的信號肽結構域,與各種MHC I類和II類等位基因結合。多發(fā)性骨髓瘤ImMucin與GM-CSF聯(lián)合應用的1/2期研究表明,該疫苗具有安全耐受性,成功誘導了疫苗介導的細胞和體液免疫應答,11/15患者的臨床疾病得到控制。

ONT-10是一種脂質體治療性疫苗,由來自MUC1的20-mer合成糖肽與季戊四醇脂質a(TLR4激動劑)的兩個重復組成。ONT-10的臨床前研究表明,在同基因B16-MUC1和MC38-MUC1模型中,誘導了對MUC1的細胞和體液免疫反應以及抗腫瘤作用。對28名晚期實體癌患者進行的1期研究表明,ONT-10安全且耐受性良好,但未觀察到CR和PR。最近,在晚期卵巢癌和乳腺癌患者中進行了ONT-10與varlilumab(抗CD27激動性抗體)聯(lián)合的1b期研究(NCT02270372)。

Emepepimut-S(L-BLP25)是另一種針對MUC1的已開發(fā)肽疫苗。然而,在非小細胞肺癌患者的3期研究中,觀察到OS沒有顯著差異。

ETBX-061是一種靶向MUC1蛋白的治療性腺病毒疫苗�？紤]到實體瘤的異質性,ETBX-061已在臨床試驗中與其他疫苗或治療藥物進行聯(lián)合研究。在一項針對晚期癌癥患者的1期臨床試驗中研究了三重(CEA/MUC1/Brachyury)疫苗組合方案,該試驗證實了抗原特異性T細胞的生成和疾病控制(60%SD和40%PD)。

TG4010是一種改良的安卡拉痘苗(MVA),表達MUC1和IL-2。在晚期非小細胞肺癌的2b/3期試驗中,TG4010加化療與安慰劑加化療相比,PFS有顯著改善,但生存期獲益微乎其微(5．9個月vs．5．1個月)。

MicroVAC LLC正在開發(fā)一種ad-sig-hMUC1/ecdCD40L疫苗,其中MUC1與CD40配體(CD40L)的胞外結構域融合,以促進DC活化并促進T細胞和B細胞擴增。該疫苗的一項小型隊列1期研究表明,它是安全的,并且具有令人鼓舞的抗腫瘤活性。

小結

跨膜粘蛋白在維持粘膜結構和生理穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用。粘蛋白是高度糖基化的蛋白質,在不同類型的癌癥中過表達。人們一直在努力尋找新的治療策略,以利用某些跨膜粘蛋白作為治療靶點。許多以粘蛋白為靶點的治療藥物正在對幾種癌癥進行不同階段的臨床試驗,這些藥物包括基于抗體的療法、小分子抑制劑、疫苗和細胞療法。為了開發(fā)更有效的基于粘蛋白的治療策略,需要更好地理解粘蛋白糖蛋白的脫落機制、異常糖基化、可能的剪接變體、致癌信號級聯(lián)和相互作用的結合蛋白。

參考文獻:

1．Mucin1 and Mucin16: Therapeutic Targets forCancer Therapy． Pharmaceuticals (Basel)． 2021 Oct; 14(10): 1053．