在STK11-和KEAP1突变的肺腺癌中，PD-(L)1抑制作用的减弱受到KRAS突变状态的影响

STK11和KEAP1突变(STK11突变[STK11^MUT]和KEAP1^MUT)是肺腺癌(LUAD)中最常见的突变基因。虽然STK11^MUT与KRAS^MUTLUAD对程序性死亡-(配体)1 (PD-(L)1)抑制的抗性有关，但它对KRAS野生型(KRAS^WT) LUAD免疫治疗疗效的影响目前尚不清楚。KEAP1^MUT是否对KRAS^MUT和KRAS^WTLUAD中PD-(L)1抑制的结果有不同的影响也是未知的。根据KRAS、STK11和KEAP1突变状态，在两个独立的队列中分析PD-(L)1抑制的临床结果。根据KRAS/STK11和KRAS/KEAP1的计算状态，分别对肿瘤基因表达和肿瘤免疫细胞亚群的差异进行分析。在联合队列的1261例患者中，在536例(42.5%)中检测到KRAS突变，在20.6%和19.2%的可评估病例中分别发现有害的STK11和KEAP1突变。在每个独立队列和联合队列中，STK11和KEAP1突变与明显恶化的无进展相关(STK11风险比[HR]=2.04,p<0.0001;KEAP1HR=2.05,p<0.0001)和总体(STK11HR=2.09,p<0.0001;KEAP1HR=2.24,p<0.0001)在KRAS^MUT中仅存在免疫治疗生存率，而KRAS^WTLUADs则不存在。基因表达本体论和免疫细胞富集分析显示，STK11或KEAP1突变的存在导致KRAS^MUT肺癌不同的免疫表型，但在KRAS^WT肺癌中没有。在KRAS^MUT患者中，STK11和KEAP1突变导致免疫治疗效果较差，但在KRAS^WTLUAD患者中没有。同时发生KRAS/STK11和KRAS/KEAP1突变的肿瘤在基因表达和免疫细胞浸润方面表现出不同的免疫特征。本文于2022年3月发表于Journal of Thoracic Oncology (IF=20.121)。

技术路线：

主要研究结果：

(1) KRAS、STK11和KEAP1突变状态对PD-L1表达和TMB的影响

我们首先分析了KRAS、STK11和KEAP1突变状态对PD-L1表达和TMB的影响。STK11^MUT和KEAP1^MUTLUADs在DFCI/MGH、MSKCC/MDACC和联合队列中PD-L1表达显著降低，而KRAS^MUTLUADs仅在DFCI/MGH队列中PD-L1表达显著升高(补充图未展示)。通过KRAS状态分析，STK11突变与KRAS^MUT和KRAS^WTLUAD中PD-L1表达显著降低相关，而KEAP1突变与PD-L1表达降低相关的主要是KRAS^MUT病例，而不是KRAS^WT病例(图1A和B)。就TMB分布而言，在MSKCC/MDACC、联合队列和KEAP1^MUT肿瘤的所有评估队列中，KRAS^MUT和STK11^MUTLUAD的中位TMB均显著高于MSKCC/MDACC(补充图未展示)。当根据KRAS状态分析TMB分布时，在MSKCC/MDACC和联合队列中，携带STK11突变的LUADs仅在KRAS^MUT中有较高的TMB，而在KRAS^WT中没有，而在所有评估的队列中，KEAP1^MUT肿瘤仅在KRAS^MUT中有较高的TMB，而在KRAS^WT中没有(图1C和D)。

图1

(2)STK11和KEAP1突变状态对KRAS^MUT和KRAS^WTLUAD中程序性细胞死亡蛋白-1抑制的临床结果的影响

接下来，我们分析了STK11突变对所有LUAD患者ICI疗效的影响，以及KRAS突变状态。STK11突变对免疫治疗结果的这种有害影响主要是由LUAD的KRAS^MUT亚群驱动的。在DFCI/MGH和MSKCC/MDACC队列中(补充图未展示)，以及在联合队列中，STK11突变与KRAS^MUTLUAD的总体缓解率(ORR)、mPFS和mOS显著较差相关，而在KRAS^WT肿瘤中则没有(图2A、B和3A-D)。

接下来我们分析了KEAP1突变对免疫治疗疗效的影响。KEAP1突变也影响了KRAS^MUT亚组的免疫治疗疗效，但在两个独立队列(补充图未展示)和联合队列(图2C和D和4A-D)中没有影响KRAS^WT病例。

当我们分析KRAS^MUT/STK11^WT病例中KEAP1突变的影响时，KEAP1^MUT和KEAP1^WT病例对免疫治疗的ORR没有差异(p=0.99，补充图未展示)。然而，与KRAS^MUT/STK11^WT/KEAP1^WT病例相比，KEAP1突变病例的mPFS和mOS显著缩短(PFSHR=1.80,p=0.002;mOSHR=2.06,p=0.002，补充图未展示)，表明KEAP1突变对ICI疗效的有害影响与同时存在的STK11突变无关。最后，我们在一个包括两种基因突变相互作用的多变量模型中验证了STK11和KEAP1突变对KRAS^MUT病例ICI预后较差的独立贡献(补充图未展示)。STK11和KEAP1突变都与较低的PFS和OS相关，而相互作用项与PFS和OS无关，这表明STK11和KEAP1突变对免疫治疗结果具有可加性影响。

图2

图3

图4

图5

(3)基因本体分析显示，根据KRAS突变状态，STK11^MUT和KEAP1^MUTLUADs具有不同的转录组谱

为了揭示STK11和KEAP1突变对LUADICI预后的有害影响主要是由KRAS突变驱动的潜在机制，我们研究了KRAS^MUT和KRAS^WTLUAD中含有这些突变的肿瘤的转录组谱。根据KRAS/STK11和KRAS/KEAP1计算状态对TCGA数据集中513个LUAD的RNA测序数据进行分析。

我们首先确定了KRAS^MUT/STK11^WT与KRAS^MUT/ STK11^MUTLUADs之间以及KRAS^WT/STK11^WT与KRAS^WT/STK11^MUT癌症之间差异表达的基因。接下来，我们只对KRAS^MUT/STK11^WT肿瘤与KRAS^MUT/STK11^MUT肿瘤中调控差异的基因亚群进行了基因本体层次分析，而KRAS^WT/STK11^WT与KRAS^WT/STK11^MUT肿瘤中调控差异的基因亚群没有进行基因本体层次分析。在确定的22个重要终点通路中，与KRAS^MUT/STK11^WTLUADs相比，KRAS^MUT/STK11^MUT中13个参与免疫介导过程的通路显著下调，包括MHC II类蛋白复合物、T细胞激活、免疫应答激活信号、白细胞迁移、白细胞脱粒和髓系白细胞激活(图6A)。

接下来，我们确定了KRAS^MUT/KEAP1^MUT与KRAS^MUT/KEAP1^WTLUADs之间以及KRAS^WT/KEAP1^MUT与KRAS^WT/KEAP1^WT癌症之间差异表达的基因，并对KRAS^MUT/KEAP1^WT肿瘤与KRAS^MUT/KEAP1^MUT肿瘤中唯一上调的基因亚群进行了基因本体论分析。在确定的13个终末通路中，11个涉及免疫相关过程，包括以下基因本体术语：质膜外侧、T细胞激活调控、T细胞受体信号转导、病毒防御反应、白细胞与细胞粘附调控、淋巴细胞迁移(图6B)。与KRAS^MUT/KEAP1^WT病例相比，KRAS^MUT/KEAP1^MUT肿瘤中涉及单核细胞、T细胞和树突状细胞募集的几个基因显著下调，包括CCL2、CXCL6、CCR1、CCR6、CCR7和ITGAM。此外，编码促炎细胞因子及其受体的基因，如TNF、TNFSF8、TNFRSF9、IL1B和IL2RA，在KRAS^MUT/KEAP1^MUT肿瘤中与KRAS^MUT/KEAP1^WT癌症相比也显著下调。重要的是，I型干扰素和其他炎症细胞因子产生的阳性调节因子，如TMEM173(STING)、DDX58、TLR4和TLR7，在KRAS^MUT/KEAP1^MUT与KRAS^MUT/KEAP1^WT癌症中明显下调。

图6

(4)细胞型富集分析显示，根据KRAS突变状态，STK11^MUT和KEAP1^MUT肿瘤具有不同的免疫表型

我们最后评估了携带STK11或KEAP1突变的LUADs是否也具有不同的免疫细胞亚群，根据是否同时存在KRAS突变；我们通过将基因表达数据反卷积到肿瘤相关细胞群中进行细胞类型富集分析。

首先，我们根据KRAS突变状态评估STK11突变是否与不同的细胞浸润相关，并确定了6种免疫细胞类型，与KRAS^MUT/STK11^MUT肿瘤相比，KRAS^MUT/STK11^WT肿瘤中显著富集，但与KRAS^WT/STK11^WT肿瘤相比，KRAS^WT/STK11^WT肿瘤中不富集，包括M1巨噬细胞(p<0.01)、M2巨噬细胞(p<0.01)、粒细胞母细胞祖细胞(p=0.02)、CD4+效应记忆细胞(p=0.01)、和B细胞(p=0.04)(图6C)。此外，与KRAS^MUT/STK11^MUT相比，KRAS^MUT/STK11^MUT肿瘤的免疫评分和微环境评分仅在KRAS^MUT/STK11^WT肿瘤中显著富集(分别p<0.001和p<0.01；图6C)。相反，与KRAS^MUT/STK11^WT肿瘤相比，KRAS^MUT/STK11^MUT肿瘤的中性粒细胞显著丰富(p<0.01)(图6C)。

接下来，我们研究了KEAP1突变是否也与KRAS^MUT和KRAS^WTLUADs中浸润细胞类型的独特模式相关。我们确定了四种细胞类型，包括CD8+ T细胞(p<0.001)、CD8+中枢记忆T细胞(p<0.01)、CD8+ naive T细胞(p=0.02)和B细胞(p=0.01)，这些细胞类型在KRAS^MUT/KEAP1^WT肿瘤对KRAS^MUT/KEAP1^MUT中富集，而不在KRAS^WT/KEAP1^WT肿瘤对KRAS^WT/KEAP1^MUT中富集(图6D)。相反，与KRAS^MUT/KEAP1^WT肿瘤相比，间充质干细胞仅在KRAS^MUT/KEAP1^MUT肿瘤中显著富集(p=0.02)(图6D)。

结论：

我们揭示了STK11和KEAP1突变对KRAS^MUT患者的免疫治疗效果较差，但在KRAS^WTLUAD患者中没有，同时携带KRAS/STK11和KRAS/KEAP1突变的肿瘤显示出不同的免疫谱。迫切需要临床前研究来进一步剖析这些相关性背后的分子机制，并确定新的治疗漏洞。

参考文献：

Ricciuti, B., Arbour, K. C., Lin, J. J., Vajdi, A., Vokes, N., Hong, L., Zhang, J., Tolstorukov, M. Y., Li, Y. Y., Spurr, L. F., Cherniack, A. D., Recondo, G., Lamberti, G., Wang, X., Venkatraman, D., Alessi, J. V., Vaz, V. R., Rizvi, H., Egger, J., Plodkowski, A. J., … Awad, M. M. (2022). Diminished Efficacy of Programmed Death-(Ligand)1 Inhibition in STK11- and KEAP1-^MUTant Lung Adenocarcinoma Is Affected by KRAS^MUTation Status. Journal of thoracic oncology : official publication of the International Association for the Study of Lung Cancer, 17(3), 399–410. https://doi.org/10.1016/j.jtho.2021.10.013.