2024年06月13日下午，受生命科学联合中心张哲研究员邀请，中山大学肿瘤防治中心华南恶性肿瘤防治全国重点实验室研究员高嵩在北京大学生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“线粒体融合和肿瘤免疫”的报告。
线粒体作为细胞的能量工厂，它的分裂和融合不仅可以保持能量的供应，并且可以适应外部环境的变化。线粒体融合会提升细胞氧化磷酸化的水平，并有助于线粒体DNA的损伤修复。如果线粒体不能融合会影响它的正常生理功能，并导致一系列人类疾病的发生，例如多种神经退行性疾病，代谢疾病和恶性肿瘤等。线粒体的融合包含两个步骤，即由MFN介导的外膜融合和由OPA1介导的内膜融合。介导线粒体外膜融合的基因mitofusin（哺乳动物包含MFN1和MFN2两个同源基因，酵母中为单一的Fzo1）和介导内膜融合的OPA1（Optic atrophy 1）都属于发动蛋白（dynamin）超家族成员。dynamin超家族成员是一类介导膜塑形的多结构域GTP酶（图1A）。介导膜分裂和膜融合的dynamin家族成员（fission dynamins and fusion dynamins）具有不同的特性。MFN和OPA1作为功能性的fusion dynamin，其结构与其他已知结构的dynamin家族蛋白有联系，亦有区别（图1B）。
1.线粒体与内质网（ER）的相互作用
通过质谱分析、免疫共沉淀、活细胞成像和体外拉动实验等方法，研究者证实了MFN2和SERCA2在分子水平上的直接相互作用。使用三维结构光照明显微镜（3D-SIM）和透射电子显微镜（TEM），研究者观察到MFN2−/− CD8+ T细胞（即MFN2基因敲除的CD8+ T细胞）中线粒体与ER的接触显著减少，尤其是在肿瘤浸润性T细胞（TILs）中。MFN2通过与SERCA2的相互作用，增强了线粒体的钙离子内流，这对于线粒体代谢至关重要。研究者使用特定的荧光探针Rhod-2测量了线粒体中的钙离子水平，并发现MFN2−/− CD8+ TILs的线粒体钙离子水平低于野生型CD8+ TILs。MFN2介导的线粒体ER接触对于维持CD8+ T细胞的线粒体代谢和效应功能至关重要。研究者通过体外实验和动物模型，发现MFN2的缺失会损害线粒体的呼吸能力，特别是依赖于脂肪酸氧化（FAO）的氧化磷酸化过程。研究表明，通过提高MFN2的表达水平，可以增加线粒体-ER接触，改善CD8+ T细胞的代谢适应性，并提高其在肿瘤微环境中的功能，从而增强癌症免疫疗法的效果。高老师探讨了MFN2与SERCA2相互作用的分子机制，发现MFN2的GTP酶活性和构象变化对于与SERCA2的结合至关重要，而且这种结合对于维持细胞内钙离子稳态、防止线粒体钙离子过载和促进CD8+ T细胞的长寿是必需的。
图2.线粒体和线粒体外膜之间融合依赖MFN蛋白，那线粒体和内质网之间的交流依赖于什么蛋白呢
2.肿瘤免疫微环境（TME）中的T细胞功能障碍：
MFN2的缺失导致肿瘤浸润性CD8+ T细胞中线粒体代谢受损。通过基因敲除MFN2（Mfn2CKO）的小鼠模型，观察到这些细胞的线粒体呼吸能力下降，特别是依赖于脂肪酸氧化（FAO）的氧化磷酸化过程。并且，MFN2−/− CD8+ T细胞表现出降低的干扰素-γ（IFN-γ）产生能力，这表明它们的效应功能受损。此外，这些细胞的增殖能力降低，而凋亡率增加。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析，高老师发现在MFN2缺失的情况下，与激活和增殖相关的CD8+ T细胞亚群减少，而与耗竭相关的T细胞亚群增加。MFN2−/− CD8+ T细胞显示出线粒体与ER接触的显著减少，这影响了线粒体的钙离子内流，进而影响了线粒体代谢。在Mfn2CKO小鼠模型中，肿瘤的生长速度显著快于野生型（WT）小鼠，这表明MFN2的缺失促进了肿瘤的进展。MFN2−/− CD8+ T细胞在免疫检查点阻断（ICB）治疗下没有显示出对肿瘤的应答，这表明T细胞的抗肿瘤能力受损。
图3. 实体肿瘤的微环境非常复杂，通常会导致T细胞的功能障碍
3.Leflunomide通过促进MFN2的表达，可能有助于提高癌症免疫疗法的效果
Leflunomide被用来在体外实验中处理CD8+ T细胞，结果表明它能够以浓度依赖性的方式增强MFN2的表达。Leflunomide处理的CD8+ T细胞显示出增加的线粒体-内质网（mitochondria-ER）接触，这表明Leflunomide可能通过影响MFN2来促进这两种细胞器之间的相互作用。通过Leflunomide增强的MFN2表达，CD8+ T细胞的线粒体代谢得到了改善，这可能有助于提高T细胞在肿瘤微环境中的代谢适应性和功能。并且，Leflunomide与αPD-1抗体的联合治疗在小鼠模型中显示出了协同效应，进一步限制了肿瘤生长并延长了生存期。这表明Leflunomide可能通过增强MFN2的表达来提高免疫检查点阻断治疗的效果。通过在患者衍生的异种移植（PDX）模型中使用Leflunomide，研究者证明了提高MFN2水平可以作为改善T细胞基础肿瘤免疫疗法效果的潜在治疗策略。在Mfn2基因敲除（Mfn2CKO）的小鼠中，Leflunomide没有显示出对肿瘤生长的抑制效果，这表明Leflunomide的抗肿瘤效果依赖于MFN2的过表达。因此，Leflunomide的作用主要集中在通过增强MFN2的表达来促进线粒体-内质网接触和改善CD8+ T细胞的代谢适应性，进而提高肿瘤免疫疗法的疗效。
图4. Leflunomide与αPD-1抗体的联合治疗在小鼠模型中显示出了协同效应
总结来说，高嵩老师这次的报告：
1.揭示了线粒体与内质网（ER）之间的接触对于CD8+ T细胞在肿瘤微环境中的代谢适应性和功能至关重要。
2.发现MFN2（Mitofusin-2）与ER中的钙ATP酶SERCA2相互作用，这种相互作用介导了线粒体与ER的接触。
3.MFN2的表达与多种癌症患者的预后正相关。MFN2在CD8+ T细胞中的缺失会损害线粒体代谢和功能，从而促进肿瘤的进展。
4.MFN2通过与SERCA2的相互作用，增强了线粒体的钙离子内流，这对于线粒体的代谢过程至关重要。
5.免疫治疗的潜在策略：提高MFN2的表达水平可以增加线粒体-ER接触，改善CD8+ T细胞的代谢适应性，并可能提高癌症免疫疗法的疗效。
6.Leflunomide的应用：Leflunomide能够增强MFN2的表达，并通过与免疫检查点阻断（ICB）治疗的联合应用，显示出协同效应，有助于限制肿瘤生长和延长生存期。
这次报告不仅增进了我们对肿瘤微环境中T细胞功能障碍的理解，而且为开发新的癌症免疫治疗策略提供了潜在的分子靶点。
