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Nature 前沿∶ mtDNA ——癌細胞免疫逃逸_MedChemExpress(MCE 中國)
癌細胞為了躲避免疫系統(tǒng)的追殺，進化出了許多多多多不同的策略來逃逸免疫。近期，研究揭示了癌細胞逃避免疫的新策略！跟小 M 一起來看下吧！
Section.01
線粒體轉(zhuǎn)移的"雙向奔赴"
腫瘤微環(huán)境 (TME) 中的代謝重編程對抗腫瘤免疫反應(yīng)至關(guān)重要，且線粒體在代謝重編程中起著重要作用。
先前，Tanmoy Saha 等人研究了癌細胞和免疫細胞之間的線粒體運輸[1]，發(fā)現(xiàn)癌細胞可以通過納米管介導(dǎo)“偷走”免疫細胞線粒體。線粒體的丟失和功能障礙導(dǎo)致 T 細胞衰竭，這是 T 細胞免疫療法的主要障礙。不過，研究人員發(fā)現(xiàn)，骨髓基質(zhì)細胞 (BMSC) 與 T 細胞也可建立納米管連接，并利用其將基質(zhì)細胞線粒體移植到 CD8+ T 細胞中，使其變身“T 細胞”，介導(dǎo)更強勁的腫瘤消退[2]。
圖 1. 納米管介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移[1][2]。
隨著不斷探索，人們對腫瘤免疫的研究也陸續(xù)有了新進程：從線粒體轉(zhuǎn)移是從免疫細胞到癌細胞的單向運輸，到發(fā)現(xiàn)線粒體也可以從癌細胞轉(zhuǎn)移到 TME 的 T 細胞中，形成 ”雙向奔赴”。然而，這一過程的發(fā)生與腫瘤免疫之間的影響尚不清楚[3]。
Section.02
Nature 發(fā)文:
mtDNA 功能再升級！
近期，Nature 刊發(fā)日本千葉癌癥研究中心等團隊的重磅研究，揭示腫瘤細胞通過線粒體向 T 細胞傳遞突變的線粒體 DNA (mtDNA)，導(dǎo)致 T 細胞代謝異常、功能衰竭，進而逃避免疫攻擊的全新機制[4]。這一發(fā)現(xiàn)為理解腫瘤免疫逃逸提供了全新視角，并為逆轉(zhuǎn)免疫治療耐藥提供了潛在靶點。
圖 2. 線粒體在細胞間的雙向轉(zhuǎn)移[5]。
具體來說，Ikeda 等人研究了線粒體在癌細胞和免疫系統(tǒng) T 細胞之間的轉(zhuǎn)移，研究對象包括小鼠和人類細胞。作者報告稱，T 細胞通過一種名為隧道納米管的結(jié)構(gòu)將線粒體轉(zhuǎn)移到癌細胞中。作為交換，癌細胞通過釋放細胞外囊泡將線粒體轉(zhuǎn)移到 T 細胞中，這些囊泡會被細胞吸收。這些來自癌細胞的線粒體被 USP30 蛋白包裹，這種蛋白可以防止線粒體降解。這使得癌細胞的線粒體能夠取代 T 細胞的線粒體。T 細胞進入一種稱為衰老的生長停滯狀態(tài)，從而削弱其殺死癌細胞的能力[5]。
研究人員從黑色素瘤和非小細胞肺癌 (NSCLC) 患者的腫瘤組織中分離腫瘤浸潤淋巴細胞 (TILs)，通過全 mtDNA 測序鑒定突變，鑒定出 TILs 與腫瘤細胞的 mtDNA 共享突變。
圖 3. TILs 中與癌細胞相同的突變[4]。
研究人員通過在含有突變 mtDNA 和 WT mtDNA 的黑色素瘤細胞系中的表達線粒體特異性熒光蛋白 MitoDsRed，在與 TIL 共培養(yǎng) 24 小時后，發(fā)現(xiàn) mtDNA 逐漸從癌細胞轉(zhuǎn)移至 TIL。這一結(jié)果表明癌細胞和 T 細胞之間產(chǎn)生同樣的 mtDNA 突變是由線粒體轉(zhuǎn)移造成的。
已有研究證明，細胞間的隧道納米管 和細胞外囊泡 (EVs) 能夠幫助線粒體轉(zhuǎn)移。研究人員發(fā)現(xiàn)在加入 EV 抑制劑的條件下，均能夠大大降低線粒體的轉(zhuǎn)移，這說明線粒體可以通過介導(dǎo)的細胞間直接接觸和 EV 介導(dǎo)的間接接觸進行轉(zhuǎn)移。綜上所述，TILs 能夠通過直接或間接的方式從癌細胞中獲得突變 mtDNA。
圖 4. mtDNA 突變的線粒體從癌細胞轉(zhuǎn)移到 TILs[4]。
隨后研究人員驗證了轉(zhuǎn)移的線粒體是否會發(fā)生同質(zhì)性。通過將 TIL 與癌細胞共培養(yǎng)，并通過 mtDNA 測序以及熒光標記的延時成像，驗證了部分 T 細胞的線粒體發(fā)生了同源替換以及線粒體的轉(zhuǎn)移。并結(jié)合 MitoDsRed 的表達情況，進一步證明 T 細胞的原位線粒體的減少是與癌細胞共培養(yǎng)的結(jié)果。
TME 中的癌癥來源的活性氧 (ROS) 會誘導(dǎo)周圍細胞的線粒體發(fā)生自噬。研究人員發(fā)現(xiàn)，在與癌細胞共培養(yǎng)時會加劇 T 細胞的線粒體自噬，加入 NAC (一種 ROS 抑制劑) 后，降低 T 細胞線粒體自噬水平，但不影響線粒體從癌細胞轉(zhuǎn)移到 T 細胞。去泛素化酶 USP30 能夠抑制泛素化介導(dǎo)的線粒體自噬并附著在線粒體上，研究人員發(fā)現(xiàn) USP30 在黑色素瘤中高表達，且在具有突變 mtDNA 的 T 細胞中的表達量也有所增加，USP30 染色結(jié)果證明，USP30 能夠和線粒體一同從癌細胞轉(zhuǎn)移到 TIL 中。
以上結(jié)果表明，T 細胞中的原位線粒體會因 TME 中的 ROS 發(fā)生自噬，但 T 細胞中有突變 mtDNA 的線粒體不會發(fā)生自噬，最終導(dǎo)致線粒體發(fā)生同質(zhì)性。
圖 5. USP30 在癌細胞轉(zhuǎn)移的線粒體中賦予線粒體自噬抗性[4]。
研究人員隨后通過通量分析儀以及基因表達水平研究發(fā)現(xiàn)，在 mtDNA 突變的細胞中線粒體氧化磷酸化相關(guān)分子 ND4，ND5，ND6，ND1，CYTB，COX1 和 ATP6 的表達量降低，細胞基礎(chǔ)呼吸減少，產(chǎn)生的 ATP 減少，電子傳遞鏈上復(fù)合物活性降低，以上結(jié)果表明 mtDNA 突變的細胞線粒體功能受損。此外，突變的 mtDNA 增加了以及衰老相關(guān)分子的表達、降低細胞分裂能力，損傷記憶 T 細胞形成、誘導(dǎo)部分中央記憶細胞的凋亡、降低細胞中的活化標志物的含量。
隨后在體內(nèi)實驗中，研究人員將 mtDNA 未突變的細胞系和 mtDNA 突變的細胞系分別移植到 OT-1 小鼠體內(nèi)，由于 OT-1 小鼠可在體內(nèi)激活 T 細胞和 B 細胞反應(yīng)，隨后從小鼠體內(nèi)分選出 T 細胞以檢測其免疫功能。實驗結(jié)果表明伴有 mtDNA 突變的癌癥細胞對 T 細胞活性的降低更為顯著。然而，當分選出 T 細胞進行體外培養(yǎng)，熒光強弱顯示出 T 細胞損傷的功能也得到了恢復(fù)，這一結(jié)論也進一步呼應(yīng)了此前驗證的 EV 在線粒體轉(zhuǎn)移的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，在外加 EV 抑制劑 GW4869 時，相關(guān)功能抑制表型有所挽救。
總的來說， 體內(nèi)實驗中 TIL 突變的 mtDNA 線粒體可導(dǎo)致 T 細胞功能障礙，最終降低機體的抗腫瘤免疫能力。
圖 6. mtDNA 突變的線粒體轉(zhuǎn)移降低體內(nèi)抗腫瘤免疫[4]。
Section.03
小結(jié)
本文解析了癌細胞如何通過線粒體轉(zhuǎn)移機制實現(xiàn)免疫逃逸，并探討了其對腫瘤免疫治療的影響。線粒體轉(zhuǎn)移不僅改變了 T 細胞的代謝狀態(tài)，還加速了 T 細胞衰竭，最終削弱抗腫瘤免疫力。這一發(fā)現(xiàn)為未來癌癥免疫治療提供了新的研究方向，也希望能幫助看到這里的小伙伴拓展新的科研思路~
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[1] Saha T, et al. Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells. Nat Nanotechnol. 2022 Jan;17(1):98-106.
[2] Baldwin JG, et al. Intercellular nanotube-mediated mitochondrial transfer enhances T cell metabolic fitness and antitumor efficacy. Cell. 2024 Nov 14;187(23):6614-6630.e21.
[3] Mahmood M, et al. Mitochondrial DNA mutations drive aerobic glycolysis to enhance checkpoint blockade response in melanoma. Nat Cancer. 2024 Apr;5(4):659-672.
[4] Ikeda H, et al. Immune evasion through mitochondrial transfer in the tumour microenvironment. Nature. 2025 Feb;638(8049):225-236.
[5] Brestoff JR. Mitochondrial swap from cancer to immune cells thwarts anti-tumour defences. Nature. 2025 Feb;638(8049):42-43.
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