PD-1——重要的免疫檢查點
日期：2019-11-19 14:52:03
程序性死亡分子(Programmed death-1, PD-1)又名CD279，是繼CTLA4發現之后又一個重要的負性共刺激分子。它的配體PD-L1，又名CD274，同屬CD28/B7超家族。PD-1與其配體結合后，傳導的負性共刺激信號能抑制T淋巴細胞增殖，在調節T細胞活化和免疫耐受過程中發揮關鍵作用，對防止自身免疫病的發生、發展起重要作用。
1. PD-1的結構
PD-1是在T細胞雜交瘤細胞株進行活化誘導的細胞程序性死亡過程中被發現，因此得名[1]，屬B7-CD28家族成員之一。
PD-1基因位于人類染色體2q37上，所編碼的蛋白是一種相對分子質量為50 kDa-55 kDa的I型跨膜糖蛋白，由于缺乏在近膜處能形成同源二聚體的半胱氨酸，以單體形式表達于細胞膜表面。
PD-1蛋白由胞外區、跨膜區和胞內區組成。
其中，胞外區含有一個免疫球蛋白可變區結構域。PD-1胞內區含有免疫受體酪氨酸抑制基序（immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif, ITIM）及免疫受體酪氨酸轉換基序（immunoreceptor tyrosine-based Switch motif, ITSM），這兩種基序各含有1個酪氨酸。
當PD-1與其配體結合時，兩個酪氨酸均發生磷酸化，但是ITIM并不轉導PD-1信號通路的抑制信號，只有ITSM的C末端酪氨酸的磷酸化可使PD-1發揮調控作用。
2. PD-1的表達
PD-1主要在活化的CD4+ 和CD8+ T細胞，活化B細胞、自然殺傷（NK）細胞、自然殺傷T細胞、樹突細胞（DC）及活化的單核細胞中表達，并與它們的分化和凋亡密切相關。
PD-1的表達可被TCR或B細胞受體誘導，腫瘤壞死因子可增強PD-1的表達。
PD-1的廣泛表達提示其在維持機體負性免疫應答中具有必不可少的作用。
3. PD-1的配體
PD-1的配體主要有PD-L1和PD-L2，其中PD-L1是主要配體[2]，在多種惡性腫瘤中高表達。
圖1. PD-1的配體
3.1 PD-L1
PD-L1(B7-H1、CD274)是PD-1的配體，該基因位于人類染色體9p24。
它是由Dong等[3]于1999年發現的，是B7家族的新成員。
3.1.1 PD-L1的結構
PD-L1是一種40kDa的I型跨膜糖蛋白，由胞外段、疏水跨膜段和短的胞質結構域組成。
胞膜外區有1個免疫球蛋白恒定區(IgC)結構域和1個免疫球蛋白可變區(IgV)結構域。PD-L1細胞質區含有一個蛋白激酶C磷酸化位點，但胞內區的信號轉導基序目前尚不明確。
3.1.2 PD-L1的表達
CD274在心臟、骨骼肌、胎盤和肺中高表達，在胸腺、脾臟、腎臟和肝臟中弱表達。PD-L1表達于T細胞、B細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞、間質干細胞和培養的骨髓衍生肥大細胞上，且在活化后的細胞上表達明顯上調。
在非造血系統中，PD-L1表達于血管內皮細胞、上皮細胞、成纖維細胞網狀細胞、胰島細胞、骨骼肌細胞、胚胎滋養層細胞、星形膠質細胞、肝細胞、胎盤，視網膜色素上皮細胞等。
PD-L1在多種腫瘤細胞中表達，如人肺癌、卵巢癌、結腸癌、腎癌和黑色素瘤等。
3.2 PD-L2
PD-L2是由Freeman實驗室鑒定出來的[4]。人PD-L2(B7-H2、CD273)基因同樣位于染色體9p24，編碼247個氨基酸的I型跨膜蛋白。PD-L1和PD-L2兩者的同源性為40％。PD-L2與PD-1的親和力是PD-L1的2～6倍。
與PD-L1相比，PD-L2的表達相對較局限，PD-L2誘導性表達于樹突細胞、巨噬細胞、骨髓來源肥大細胞等細胞表面[5] [6]。人的PD-L2也表達在血管內皮細胞上。
4. PD-L1/PD-1信號通路
PD-1與其配體PD-L1結合后，PD-1胞質區ITSM結構域中的酪氨酸發生磷酸化，招募SHP2磷酸酶類分子至胞膜內側[7]，發揮對下游信號的負調控，進一步抑制PI3K/PKB介導的Zap-70/CD3ζ和PKCθ磷酸化，抑制T細胞增殖、分化和細胞因子產生[8] [9]。
圖2. PD-L1/PD-1信號通路
4.1 PD-1/PD-L1信號通路的功能
IFN-γ上調正常組織細胞和不同腫瘤組織細胞表面的PD-L1，通過誘導PD-L1表達來下調腫瘤微環境的免疫應答。PD-1在T細胞受到炎癥信號刺激后被誘導產生，并且在以感染和腫瘤為主的多種外周組織中限制T細胞的功能，由此可限制免疫反應的放大和持續時間，從而避免正常組織的損傷。
雖然PD-L1和PD-1上調的生理功能是為了避免炎癥擴大，降低組織損傷，但是腫瘤微環境中誘導產生的PD-L1會促進活化的T細胞凋亡，也會刺激人外周血Ｔ細胞產生IL-10來調節免疫抑制。
PD-1/PD-L1的相互作用在體內抑制Ｔ細胞方面起到重要作用。PD-L1與T細胞膜上的受體PD-1結合產生抑制信號，可阻止CD4+T細胞、CD8+T細胞增殖、活化，下調一些抗凋亡分子和促炎因子的表達，改變腫瘤微環境，使機體對腫瘤細胞的監視及清除能力減弱，產生免疫逃逸，從而讓腫瘤細胞能在機體內無限增殖[10]。因此，阻斷PD-1／PD-L1通路可以恢復免疫系統對腫瘤細胞的殺傷作用。
4.2 PD-1/PD-L1信號通路與疾病
PD-1與其主要配體PD-L1結合形成PD-1/PD-L1信號通路，該信號通路在維持外周耐受和調節抗原特異性T細胞活性及其介導的炎癥性疾病中發揮著重要的作用，是感染性疾病慢性化和自身免疫性疾病的重要影響因素。
PD-1/PD-L通路對自身免疫性疾病和移植排斥反應有積極的調控作用，但在抗病毒、抗腫瘤方面則起到消極的作用。
4.2.1 PD-1/PD-L1信號通路與慢性病毒感染
病毒感染可導致抗原特異性T細胞表面PD-1、PD-L1表達升高，抑制CD4+和CD8+T細胞的增殖，減少細胞因子白細胞介素2（IL-2）、干擾素γ（IFN-γ）分泌或擴散，引起特異性T淋巴細胞免疫功能降低，甚至衰竭。這削弱宿主的抗感染免疫反應，導致靶器官損傷，最終引起病毒持續感染等相關疾病的發生。這表明PD-1/PD-L1通路可能是慢性病毒感染以及疾病慢性化的主要原因之一。
PD-1/PD-L通路被證實與HIV、HBV、HCV感染[11]等T細胞相關的慢性病毒感染有關。
在慢性病毒感染中，用抗體阻滯PD-1，CD8+T細胞能重新活化、增殖和分化，并恢復其殺病毒能力，使病毒滴度下降[12]。
4.2.2 PD-1/PD-L與自身免疫病
作為一個關鍵的共抑制分子，PD-1的基因多態性與自身免疫病的易感性存在聯系，表明PD-1可能在自身免疫病的發生和發展中起重要作用[13]。
- 系統性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)
這是一類系統性自身免疫病。研究發現[14]，PD-1基因在人染色體上的位點恰好是SLE發生的高敏感性候選位點。
PD-1基因位點頻率異常引起PD-1表達下降，從而使PD-1/PD-L信號通路調節異常而導致SLE發生。
PD-1的表達下降與PD-1.3A/G等位基因有關，可能是因為PD-1.3的基因多態性破壞了Runt相關蛋白1的DNA結合位點，使PD-1基因轉錄水平下降，引起T細胞等異常活化和增殖，從而誘導SLE發生。
- PD-1/PD-L與類風濕性關節炎
類風濕性關節炎（RA）是一種慢性炎性自身免疫病，該疾病的基本病理特點為慢性滑膜炎和滑膜增生。
T細胞參與了RA發生，外周血T細胞的異常增殖分化啟動RA的發生，同時促進慢性炎性反應。
RA病人CD4+和CD8+T細胞表面表達的PD-1和血清中可溶性PD-1(soluble PD-1，sPD-1)的水平均降低[15]。這表明PD-1通過調節T細胞的活性參與了風濕性關節炎的發生。
4.2.3 PD-1/PD-L與腫瘤
在人體內，腫瘤組織上表達的抗原雖然可被宿主的T細胞識別，但不一定被清除。原因之一就是腫瘤微環境中PD-L1和PD-1的上調表達。PD-L1在腫瘤組織(如淋巴瘤、絨毛膜癌、黑色素瘤、食管癌)中的表達以及PD-1在腫瘤浸潤淋巴細胞上的表達上調參與了相關的免疫抑制信號傳導。
PD-1/PD-L1信號通路的激活抑制了CD4+T細胞、CD8+T細胞增殖、活化，抑制細胞因子的表達，改變腫瘤微環境，使機體對腫瘤細胞的監視及清除能力減弱，促進腫瘤細胞逃避機體免疫監視和殺傷[16]。因此，PD-1/PD-L通路成為治療腫瘤的新的作用靶點。
圖3. PD-1/PD-L1信號通路與腫瘤的關系
5. PD-1/PD-L在治療方面的應用
PD-1和PD-L1信號通路在感染免疫、腫瘤免疫、移植免疫中起著重要作用，這使得靶向PD-1/PD-L1信號通路成為治療腫瘤的研究熱點。
免疫檢查點阻滯劑PD-1/PD-L1抗體類藥物的研發是目前腫瘤治療領域的研究熱點。PD-1/PD-L1抗體作為腫瘤免疫治療方法之一，通過阻斷PD-1/PD-L1信號通路，逆轉腫瘤免疫微環境，增強內源性抗腫瘤免疫效應。
作用于PD-1/PD-L1信號通路的抗體分為兩類，包括抗PD-1抗體和抗PD-L1抗體?？筆D-1抗體能夠阻斷PD-1與PD-L1及PD-L2的相互作用，而抗PD-L1抗體僅能阻斷PD-1與PD-L1的相互作用，卻不能阻斷PD-1與PD-L2的相互作用。目前主要的抗PD-1/PD-1抗體有nivolumab、Pembrolizumab、ipidilizumab、(avelumab、atezolizumab和durvalumab)。其中nivolumab和pembrolizumab是PD-1抗體，avelumab、atezolizumab和durvalumab是PD-L1抗體。
Nivolumab已被批準用于非小細胞肺癌(NSCLC)、腎細胞癌(RCC)、膀胱癌(BC)、微衛星不穩定性或錯配修復缺陷(MSI-H/dMMR)的結直腸癌(CRC)、肝細胞癌(HCC)、經典霍奇金淋巴瘤(cHL)、黑色素瘤和頭頸部鱗狀細胞癌(HNSCC)的治療。
Pembrolizumab已經被批準用于黑色素瘤、HNSCC、宮頸癌、cHL、NSCLC、BC、胃癌和胃食道癌，以及所有被歸類為MSI-H/dMMR的晚期實體腫瘤。
Avelumab已被批準用于治療默克爾細胞癌和BC。
Atezolizumab已經被批準用于NSCLC和膀胱癌。
Durvalumab已經被批準用于治療膀胱癌和NSCLC (III期)。
在黑色素瘤Ⅲ期臨床試驗中，PD-1抗體nivolumab和Pembrolizumab這兩種藥物的療效都得到了認可。此外，PD-1抗體在肺癌和卵巢癌也得到了應用。
6. PD-1抑制劑毒副反應
PD-1抑制劑雖然有驚人療效，但是也誘發了免疫相關的毒副反應（immune-related adverse events, irAEs）。
這可能與免疫檢查點通路維持人體免疫穩態的作用被破壞相關[17]。即通過靶向阻斷免疫檢查點等負調節因子，增強Ｔ細胞的活性，導致免疫過強化，在達到抗腫瘤效果的同時不可避免產生對正常組織的損傷。
PD-1蛋白
Recombinant Human Programmed cell death protein 1(PDCD1),partial (Active) (Code: CSB-MP619964HU1)
(Tris-Glycine gel) Discontinuous SDS-PAGE (reduced) with 5% enrichment gel and 15% separation gel.
Immobilized PD-1 at 2 μg/ml can bind Anti-PD-1 recombinant antibody, the EC50 of human PD-1 protein is 6.087-7.854 ng/ml.
References
[1] Ishida Y, Agata Y, Shibahara K, et al. Induced expression of PD‐1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death [J]. The EMBO journal, 1992, 11(11): 3887-3895.
[2] Hams E, McCarron M J, Amu S, et al. Blockade of B7-H1 (programmed death ligand 1) enhances humoral immunity by positively regulating the generation of T follicular helper cells [J]. The Journal of Immunology, 2011, 186(10): 5648-5655.
[3] Dong H, Zhu G, Tamada K, et al. B7-H1, a third member of the B7 family, co-stimulates T-cell proliferation and interleukin-10 secretion [J]. Nature medicine, 1999, 5(12): 1365.
[4] Latchman Y, Wood C R, Chernova T, et al. PD-L2 is a second ligand for PD-1 and inhibits T cell activation [J]. Nature immunology, 2001, 2(3): 261.
[5] Ghiotto M, Gauthier L, Serriari N, et al. PD-L1 and PD-L2 differ in their molecular mechanisms of interaction with PD-1 [J]. International immunology, 2010, 22(8): 651-660.
[6] Keir M E, Butte M J, Freeman G J, et al. PD-1 and its ligands in tolerance and immunity [J]. Annu. Rev. Immunol., 2008,26: 677-704.
[7] Sheppard K A, Fitz L J, Lee J M, et al. PD‐1 inhibits T‐cell receptor induced phosphorylation of the ZAP70/CD3ζ signalosome and downstream signaling to PKCθ [J]. FEBS letters, 2004, 574(1-3): 37-41.
[8] Chemnitz J M, Parry R V, Nichols K E, et al. SHP-1 and SHP-2 associate with immunoreceptor tyrosine-based switch motif of programmed death 1 upon primary human T cell stimulation, but only receptor ligation prevents T cell activation [J]. The Journal of Immunology, 2004, 173(2): 945-954.
[9] Riley J L. PD‐1 signaling in primary T cells [J]. Immunological reviews, 2009, 229(1): 114-125.
[10] Ramsay A G. Immune checkpoint blockade immunotherapy to activate anti‐tumour T‐cell immunity [J]. British journal of haematology, 2013, 162(3): 313-325.
[11] Hofmeyer K A, Jeon H, Zang X. The PD-1/PD-L1 (B7-H1) pathway in chronic infection-induced cytotoxic T lymphocyte exhaustion [J]. BioMed Research International, 2011, 2011.
[12] Watanabe T, Bertoletti A, Tanoto T A. PD-1/PD-L1 pathway and T-cell exhaustion in chronic hepatitis virus infection [J]. Journal of viral hepatitis, 2010, 17(7): 453-458.
[13] Suarez-Gestal M, Ferreiros-Vidal I, Ortiz J A, et al. Analysis of the functional relevance of a putative regulatory SNP of PDCD1, PD1.3, associated with systemic lupus erythematosus [J]. Genes and immunity, 2008, 9(4): 309.
[14] Prokunina L, Castillejo-López C, öberg F, et al. A regulatory polymorphism in PDCD1 is associated with susceptibility to systemic lupus erythematosus in humans [J]. Nature genetics, 2002, 32(4): 666.
[15] Li S, Liao W, Chen M, et al. Expression of programmed death-1 (PD-1) on CD4+ and CD8+ T cells in rheumatoid arthritis [J]. Inflammation, 2014, 37(1): 116-121.
[16] Quezada S A, Peggs K S. Exploiting CTLA-4, PD-1 and PD-L1 to reactivate the host immune response against cancer [J]. British journal of cancer, 2013, 108(8): 1560.
[17] Michot J M, Bigenwald C, Champiat S, et al. Immune-related adverse events with immune checkpoint blockade: a comprehensive review [J]. European journal of cancer, 2016, 54: 139-148.
上一篇： CD22-B細胞受體輔因子
