《细胞》子刊：生酮饮食竟会促进PD-L1降解！科学家发现生酮增强免疫治疗效果的分子机制丨科学大发现
生酮饮食，相信健身减肥爱好者对这个词一定不会陌生，毕竟减肥还不用避讳高脂，听起来真的很有吸引力。
不过奇点糕要提醒诸位读者，在没有指导的情况下采用生酮饮食是有危险滴，日常不要轻易尝试。其实生酮饮食在医疗上也是有用武之地的，已经对多种疾病表现出了改善的潜力。而神奇的是，生酮饮食还有可能与最火热的免疫治疗发生关系，协助抗癌。
2021年4月哈佛研究团队在Molecular Cell发表重要研究结果，发现生酮饮食能通过激活AMPK来降低PD-L1水平，同时增强抗CTLA-4免疫疗法的抗癌功效[1]。
这意味着生酮饮食或许能够成为免疫治疗的一大助力。
近年来，科学家发现热量摄入过多是肿瘤发生的潜在危险因素，而限制热量摄入具有抗肿瘤作用[2]。而生酮饮食——一种高脂肪、低碳水化合物、足量蛋白质的营养疗法，同时也是一种潜在的抗癌策略：研究发现生酮饮食可增强PI3K抑制剂治疗胰腺癌的功效[3]；也可以增强抗肿瘤T细胞功能[4]。但这种能量变化对于抗癌明星药物——免疫检查点抑制剂（如抗PD-1 / PD-L1或抗CTLA-4抗体治疗）的作用仍不清楚。
单磷酸腺苷（AMP）激活的蛋白激酶AMPK是能量变化的关键传感器，在机体对能量水平下降的适应性反应中起关键作用。能量不足时，细胞中的ATP水平下降，AMP水平升高，从而激活AMPK。作为能量代谢的核心感受器，AMPK是机体保持葡萄糖等能量平衡的必需品，但其在能量变化对免疫检查点抑制剂发挥抗肿瘤反应过程中的作用并不明确。
带着这些未解之谜，研究者开始了关于生酮饮食、AMPK、PD-L1之间的联系及其背后机制的探索。
研究者发现限制细胞摄入葡萄糖后，AMPK激活，PD-L1的蛋白含量降低，但与此同时，PD-L1的mRNA含量不变。这表明PD-L1的蛋白含量变化在翻译后阶段引起，也就是说，PD-L1很可能是合成之后又降解了。
由于AMPK是一种蛋白激酶，研究者首先测试了AMPK是否直接磷酸化PD-L1。体外激酶试验和体内实验同时表明，PD-L1的胞质末端的确被AMPK磷酸化了，而Ser283就是AMPK磷酸化的具体位点！
AMPK磷酸化的Ser283是否就是PD-L1降解的“罪魁祸首”呢？
当研究者在Ser283位点制造突变，使PD-L1磷酸化缺陷，细胞表现出PD-L1蛋白含量升高、半衰期延长的现象。在Ampka敲除的细胞中，PD-L1的半衰期也显著延长。因此，AMPK是通过磷酸化PD-L1的Ser283位点来触发其降解。
(A)表示AMPK主要将PD-L1的胞质末端（c-Ter）磷酸化
(B)表示Ser283是AMPK磷酸化PD-L1的主要位点
已有研究表明，PD-L1能以蛋白酶体依赖、泛素化或者溶酶体依赖的方式进行降解，而CMTM4 / 6可以保护PD-L1免于泛素化或溶酶体降解。研究者据此小小地尝试了一下，惊喜地发现，用溶酶体抑制剂氯喹可以抑制缺乏葡萄糖培养诱导的PD-L1降解。
虽然CMTM4和CMTM6都被证实为维持PD-L1蛋白稳定性的关键调控因子，但研究者发现，PD-L1与CMTM4的相互作用可因缺糖而减弱，CMTM6则不能。同时，激活AMPK可干扰PD-L1和CMTM4之间的相互作用，但不干扰其与CMTM6的相互作用。
结合以上实验结果，我们得到了这样的结论——能量应激或AMPK激活通过磷酸化S283位点促进了PD-L1的溶酶体依赖性降解，这是通过抑制PD-L1与“维稳大师”CMTM4的相互作用实现的。
AMPK信号调节PD-L1表达
由于PD-L1的表达水平与抗肿瘤新星武器——免疫检查点抑制剂PD-1单抗能否发挥功效密切相关，研究者的目光随之转向了生酮饮食与免疫治疗的联系。
研究证据表明，“双免”治疗，即抗PD-1抗体联合抗CTLA-4抗体，比单药免疫治疗癌症的疗效更好[5]。鉴于刚才的研究结果表明生酮饮食使PD-L1表达降低，可以看作模拟了抗PD-1抗体的阻滞作用，因此研究者大胆猜想：生酮饮食是否会与抗CTLA-4抗体联合增效呢？
动物实验表明，生酮饮食联合抗CTLA-4抗体不仅比单药更强效地延缓了肿瘤生长，还提高了荷瘤小鼠的生存率。
生酮饮食联合CTLA-4抗体能够显著提高荷瘤小鼠的生存
由于抗CTLA-4抗体的免疫治疗产生效应需要经过肿瘤抗原提呈和效应T细胞的募集，而这一步骤受IFN信号通路的调控，为了验证这一点，研究者对生酮饮食处理后的肿瘤微环境做了进一步的检测，果然发现肿瘤细胞中I型IFN和抗原提呈基因的表达升高，CD8+GzmB+抗肿瘤效应T细胞浸润增加。
因此，生酮饮食可以通过促进PD-L1降解并促进抗原提呈途径来增强抗CTLA-4治疗的功效。同样地，AMPK激动剂也有与抗CTLA-4抗体联合增效的作用。
AMPK激动剂也能够实现与生酮饮食类似的效果
总而言之，生酮饮食诱导的能量应激诱导激活的AMPK磷酸化PD-L1的Ser283位点，从而破坏了它与CMTM4的相互作用，并触发了PD-L1通过溶酶体降解。
在免疫治疗方面，生酮饮食诱导的能量应激可同时通过降低PD-L1蛋白水平和促进抗原提呈基因表达来增强免疫系统应答，协同增强免疫检查点抑制剂的疗效，从而发挥更强效的抗癌作用。
然而，由于生酮饮食引起的代谢变化会调节广泛的生物学活性，包括但不限于胰岛素/ PI3K / AKT途径和AMPK途径，因此在生酮饮食的情况下，通过PI3K / AKT途径和AMPK途径调节PD-L1的详细分子机制，以及这两种途径之间潜在的串扰还有待进一步探究。
此外，研究主要集中于能量应激诱导的肿瘤细胞中PD-L1下调，但生酮饮食如何调节免疫细胞中的PD-L1还是一个问号。肿瘤微环境与代谢网络的交互之复杂，还需要更多的努力和探索呀！
参考资料：
[1] Dai X, Bu X, Gao Y, et al. Energy status dictates PD-L1 protein abundance and anti-tumor immunity to enable checkpoint blockade [published online ahead of print, 2021 Apr 21]. Mol Cell. 2021;S1097-2765(21)00232-X. doi:10.1016/j.molcel.2021.03.037
[2] Giovannucci E, Harlan DM, Archer MC, et al. Diabetes and cancer: a consensus report. CA Cancer J Clin. 2010;60(4):207-221. doi:10.3322/caac.20078
[3] Hopkins BD, Pauli C, Du X, et al. Suppression of insulin feedback enhances the efficacy of PI3K inhibitors [published correction appears in Nature. 2018 Aug 29;:]. Nature. 2018;560(7719):499-503. doi:10.1038/s41586-018-0343-4
[4] Collins N, Han SJ, Enamorado M, et al. The Bone Marrow Protects and Optimizes Immunological Memory during Dietary Restriction. Cell. 2019;178(5):1088-1101.e15. doi:10.1016/j.cell.2019.07.049
[5] Sharma P, Allison JP. The future of immune checkpoint therapy. Science. 2015;348(6230):56-61. doi:10.1126/science.aaa8172
本文作者 | 小 涵
责任编辑 | 代丝雨