NKG2D,一個極具潛力的CAR-T和CAR-NK靶點

瀏覽次數:589      日期:2021-08-17 15:33:50

NKG2D,是一種在人類天然殺傷細胞,CD56+和CD8+T細胞表面表達的激活性受體,在天然免疫中發揮著重要的作用,參與病毒感染細胞的識別及 NK 對腫瘤細胞的殺傷。2020年11月,臨床階段生物制藥公司 Nkarta Therapeutics宣布在 NKX101 的 I 期臨床試驗中已完成首位患者給藥。NKX101是Nkarta所研發的第一個靶向 NKG2D 的 “通用型” CAR-NK 細胞療法。用于治療復發 / 難治性急性髓細胞白血?。ˋML)或高危骨髓增生異常綜合征(MDS)。但這并不是NKG2D第一次出現在細胞療法中,早在2018年,Celyad研發的CYAD-01(又名CAR-T NKG2D,是一種CAR-T細胞療法)在轉移性結直腸癌治療評估中取得重要里程碑,而且接受NKG2D-CAR-T治療的r/r AML患者獲得完全緩解。那么NKG2D究竟是什么?它的生物學作用又是什么?

1、NKG2D的結構和功能

NKG2D基因位于NK基因復合體(NKC)中,是1991年在篩選人類NK細胞的優勢表達基因時發現的,同時篩選出的還有相鄰的NKG2A、NKG2CNKG2E。NKG2基因編碼的分子全部表達在細胞膜上,屬II型跨膜受體,序列與C型凝集素相似。NKG2D基因位于人染色體12p12-12p13或小鼠4號染色體NK復合體中(圖一)[1]。

Chromosome localization of NKG2D

Figure 1. Chromosome localization of NKG2D

*This diagram is derived from reference 1.

NKG2D蛋白是由KLRK1基因編碼的42 KDa蛋白,具有功能性單核苷酸多態性(SNPs)[2]。KLRK1基因長度為37793個堿基,位于12號染色體負鏈的10416219-10454012 bp處。ENTREZ數據庫的數據顯示,它包含12個外顯子。在人KLRK1的三個等位基因中發現了兩個核苷酸位點的同義和非同義替換,這可能是有限多態性。同源基因KLRK1的有限多態性在小鼠中也已被證實。KLRK1的同源基因存在于哺乳動物和有袋動物的所有基因組中,在進化過程中高度保守(圖2)。作為一種活性受體,NKG2D可以在人類和小鼠的NK細胞、CD8+T細胞和其他免疫活性細胞中表達,但在CD4+T細胞中通常不表達[3]。

The gene structure of human NKG2D

Figure 2. The gene structure of human NKG2D

*This diagram is derived from reference 1.

2、NKG2D的配體

與其他NKG2受體不同,NKG2D擁有多種配體,包括人類MHC-I類鏈相關分子(MICAMICB)和人類UL16結合蛋白(ULBPs,也稱為人類RAET1)。NKG2D配體大都為多片段組成的跨膜蛋白,但也有部分RAET1蛋白缺乏跨膜結構,他們通過糖基磷脂酰肌醇錨固在細胞膜上。

2.1人類MHC-I類鏈相關分子

人類MHC-I類鏈相關分子(MIC)位于人類6號染色體短臂上MHC I類基因區,目前認為在MIC基因7個成員(MICA-MICG)中MICA和MICB能夠被轉錄,而MICC、MICD、MICE和MICG 4個基因均為假基因。MICA和MICB編碼區有90%以上的同源序列。MIC分子有a1、a2和a3三個胞外結構域,一個跨膜區和一個羧基胞質區。與經典MHCI類分子明顯不同的是,MIC分子不與β2微球蛋白結合。在正常人體內MIC分布僅局限于胃腸道上皮、內皮細胞以及成纖維細胞。在感染、腫瘤以及器官移植受體組織細胞中都有MIC的表達。已有研究證實許多上皮來源的腫瘤,比如乳腺癌、肺癌、卵巢癌、結腸癌、神經膠質瘤以及黑色素瘤中都有MIC的產生,MIC被認為是一種腫瘤相關性抗原 [4] [5]。

2.2 人類UL16結合蛋白

UL16蛋白是人巨細胞病毒感染細胞表達的一種跨膜糖蛋白,Cosman等利用UL16-Fc融合蛋白發現了兩種結合UL16蛋白,命名為ULBP1ULBP2 [6]。ULBP是一類人類細胞表面分子,目前已發現四個ULBP,不同ULBP分子有50% ~ 60%的相同氨基酸序列,與MIC和MHC-I類分子之間有大約25%的序列同源。ULBP結構均帶有MHC I類分子樣a1、a2結構域,但缺乏免疫球蛋白樣a3結構域,同樣也不與β2微球蛋白結合。ULBP1、ULBP2和ULBP3是GPI連接蛋白,而ULBP4則是跨膜蛋白 [7] [8] [9]。與MIC相比,ULBP表達更為廣泛,在多種正常組織及腫瘤均有表達。ULBP在病毒感染及人類巨細胞病毒逃脫免疫監視過程中起重要作用 [10].

3、NKG2D信號傳導

NKG2D不是典型的NKC2家族成員,與其他成員(NKG2A、NKG2C和NKG2E)只有21%的同源性,結構和功能都存在明顯差異。NKG2A、NKG2C以及NKG2E分子的蛋白序列極為相似,它們在細胞表面與CD94分子形成異二聚體,通過識別 “缺失性自我”(missing self),即對自身主要組織相容性復合體MHC-I類分子的“識別”,介導NK細胞的殺傷活性。NKG2D不與CD94結合,而是自身形成同源二聚體表達于細胞表面。另外,NKG2D信號傳導方式也有差異,其胞漿區不具信號轉導功能,跨膜區與轉接蛋白DAP10同源二聚體結合。NKG2D作為一種重要的激活受體,可以通過誘導契合理論特異性結合DAP10,進而誘導磷酸化[11]。DAP10不含免疫受體酪氨酸活化基序ITAM,而是含有-YxxM基序。NKG2D與配體結合后,NKG2D同源二聚體跨膜區域的帶電氨基酸殘基通過兩個鹽橋連接到DAP10的TM殘基上,形成六聚體結構(圖3),繼而誘導細胞質中YxxM 基序的磷酸化,然后激活下游磷酸肌醇3激酶(PI3K)信號通路,傳遞活化信號。NKG2D產生的信號可直接激活NK細胞發揮殺傷效應,并作為協同刺激信號促進αβT細胞和γδT細胞的活化并增強其殺傷效應。

The interaction between NKG2D and its ligands

Figure 3. The interaction between NKG2D and its ligands

*This diagram is derived from reference 1.

自1997年全球首款抗CD20單抗——羅氏的利妥昔單抗獲批以來,全球已經批準多款抗CD20單抗。根據人源化程度以及Fc片段修飾,抗CD20單抗可分為三代,其中第一代是以利妥昔單抗為代表的嵌合或者鼠源單抗,第二代是以奧法木單抗為代表的人源化單抗,第三代的抗CD20單抗以奧妥珠單抗為代表,其抗體的Fc片段經過了糖基化修飾。

4、NKG2D/ NKG2DL與腫瘤免疫

從第三部分NKG2D傳導可以發現,NKG2D的生物學功能與其配體息息相關。在這部分中,我們重點闡明了NKG2D及其配體在腫瘤免疫中的作用。

  • NKG2D/ NKG2DL可以介導免疫細胞的腫瘤殺傷作用。這種殺傷作用是由多種免疫細胞及免疫因子共同參與實現的。NK細胞具有搜尋“缺乏自我”細胞的功能,是機體免疫系統免疫監視及抑制腫瘤生長第一道防線,無需抗原刺激即可殺傷腫瘤細胞 [12]。腫瘤細胞的表面MHCI類分子產生減少,因此其不能被抑制性受體識別,無法傳導負調節信號,致使NK細胞處于激活狀態而殺傷上述靶細胞。然而部分腫瘤細胞即使表達MHCI類分子,仍可被NK細胞識別,這是因為其同時表達NKG2D配體,激活NK細胞“識別異我”功能,防止腫瘤細胞免疫逃逸。除了NK細胞外,NKG2D受體也可表達于多種T細胞表面,根據TCR的不同,T細胞可分為αβT細胞和γδT細胞。以肺癌為例,肺組織中主要分布的為γδT細胞,NKG2D幾乎可表達于全部的γδT細胞的細胞膜表面。而γδT細胞可直接識別肺癌細胞表面的MICA、MICB等NKG2DL,并與之結合,進而誘導強烈的細胞毒性作用殺傷表達NKG2DL的肺癌細胞。
  • NKG2D配體在腫瘤細胞中的免疫監督作用。早期Bauer等報道腫瘤細胞在表達NKC2D配體MIC-A后,通過NKC2D能夠有效地被清除。小鼠NK細胞也能有效的清除被轉染H60或者RAE-1的RMA細胞。還有報道骨髓瘤細胞系在表達NKC2D配體后,NK細胞通過NKC2D能夠識別這些配體并排斥骨髓瘤細胞。眾所周知,DNA損傷在許多腫瘤中被激活。DNA損傷的激活可以認為是腫瘤細胞和免疫細胞之間的傳感器。DNA損傷能夠誘導腫瘤細胞在細胞表面表達NKC2D配體。這些腫瘤細胞能夠被具有NKC2D的免疫細胞標記為可殺傷細胞。在傳統的化療和放療過程中DNA的損傷常常誘導NKC2D配體的產生從而激發免疫細胞識別腫瘤細胞引起免疫應答。有人報道使腫瘤相關抗原特異性抗體的Fab片段與重組的MIC-A相結合,在抗體識別腫瘤相關抗原后,可使MIC-A包被整個腫瘤細胞。MIC-A包被的腫瘤細胞易于被NK細胞識別并裂解[13]。2008年,SongH等發現IL-18可以在mRNA和蛋白質水平提高白血病細胞ULBP2的表達,通過磷酸化ERKY2和JNKMAPK信號通路來增強NK細胞對腫瘤細胞的殺傷作用 [14]。

5、NKG2D臨床研究

目前以NKG2D為靶點的在研藥物/療法主要集中在臨床早期,作用機制以CAR-T/CAR-NK為主,適應癥以血液瘤為主。從目前臨床研究成果來看,CAR-T療法比較多,截至目前,全球有11種針對NKG2D的在研藥物,其中以CAR-T細胞療法為作用機制的就有10種。而CAR-NK療法因為沒有發現細胞因子釋放綜合癥及神經毒性等副作用,因而比CAR-T療法具有優勢,這可能是由于NK細胞本身不容易導致過高的細胞因子分泌。除此之外CAR-NK療法不需要以患者的自體免疫細胞作為來源、治療成本更低等優勢可能使它成為CAR-T療法的一大競爭對手。除抗腫瘤藥物外,強生旗下的楊森公司針對該靶點在自身免疫疾病方面的作用開發了一款單抗類藥物,通過抑制該靶點活性來降低克羅恩病患者的炎癥反應。

藥物名稱 研發狀態 研發機構 適應癥 藥物類型
CYAD 01 (Dartmouth College) 臨床二期 Celyad;達特茅斯學院;小野制藥 骨髓增生異常綜合征;骨髓增生性疾??;多發性骨髓瘤;急性髓細胞樣白血病 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)
NKG2D-ACE2 CAR-NK cell therapy 臨床二期 重慶市公共衛生醫療中心;斯德姆生物 新型冠狀病毒肺炎 生物藥
Tesnatilimab 臨床二期 Janssen Research & Development Llc 克羅恩病 人源化單克隆抗體
NKG2D CAR-T Cell therapy 臨床一期 浙江大學;Yake Biotechnology 急性髓細胞樣白血病 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)
Anti-NKG2D-ligand NK-cell therapy 臨床一期 廣州醫科大學附屬第三醫院 腫瘤 生物藥
CAR-grafted gamma delta T cell therapy (CytoMed) 臨床一期 Cytomed Therapeutics 鼻咽腫瘤;鼻咽癌;結直腸癌;前列腺癌;肉瘤;三陰性乳腺腫瘤;胃癌 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)
KD-025 臨床一期 南京凱地生物科技有限公司 肝細胞癌;膠質母細胞瘤;結腸癌;髓母細胞瘤 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)
NKG2D CAR-T cell therapy (Uwell Biopharma) 臨床階段不明 Uwell Biopharma 腫瘤 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)
NKX101 臨床一期 Nkarta 骨髓增生異常綜合征,急性髓系白血病 細胞療法(CAR-NK)
CYAD-101 臨床一期 Celyad 結直腸癌 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)
CYAD-02 臨床一期 Celyad 骨髓增生異常綜合征,急性髓系白血病 嵌合抗原受體T細胞療法(CAR-T)

參考文獻:

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