蘇士成團隊發現線粒體分裂通過調控相變促進巨噬細胞吞食癌細胞

2022年4月28日，蘇士成團隊在Nature Cancer雜志在線發表題為“Macrophage mitochondrial fission improves cancer cell phagocytosis induced by therapeutic antibodies and is impaired by glutamine competition”的研究成果，發現線粒體分裂通過改變吞噬機器兩個重要成分WIP和WASP相變，從而促進巨噬細胞吞食癌細胞。靶向調控腫瘤微環境谷氨酰胺競爭的酶，能通過促進腫瘤吞噬從而提高多個單抗的療效。

免疫治療為腫瘤治療帶來革命。目前，主流的免疫治療是促進T細胞對癌細胞的細胞毒性作用，誘導免疫細胞吞噬癌細胞成為下一代免疫治療的重要思路。許多治療性單克隆抗體能誘導巨噬細胞吞食癌細胞，其作用機制主要是兩種：①Fcγ受體介導的吞噬，稱為抗體依賴細胞吞噬效應（ADCP），典型是臨床常用的赫賽汀和美羅華。②阻斷“別吃我”信號，例如具有前景的CD47單抗。但在實際治療中，抗體誘導的腫瘤吞噬效果并不明顯，尤其是在實體瘤。因此，闡明巨噬細胞如何有效地吞食癌細胞對設計下一代腫瘤免疫治療有重要意義。

線粒體為免疫反應提供能量。蘇士成團隊前期發現線粒體基因組轉錄的環形RNA通過調控ROS調控成纖維細胞功能（Bioart：Cell 蘇士成/高志良/許小丁合作揭示線粒體定位circRNA調控肝臟免疫代謝性炎癥機制），因此他們思考線粒體的動態變化是否會調控巨噬細胞吞食癌細胞。其利用赫賽汀、美羅華、CD47單抗等三種治療性抗體，使用乳腺癌、結腸癌、B細胞淋巴瘤三種不同的癌種共18株細胞與人原代巨噬細胞共培養，發現有效吞噬腫瘤的巨噬細胞線粒體呈顆粒樣的分裂狀態，并且線粒體分裂調控蛋白Drp1明顯升高。體外基因敲除或藥物抑制巨噬細胞線粒體分裂能明顯抑制其對腫瘤細胞的吞噬。野生型巨噬細胞過繼性注入無巨噬細胞的Csf1op/op腫瘤負荷小鼠中明顯促進抗體介導下的巨噬細胞對腫瘤的吞噬和治療效果，但敲除Drp1之后的巨噬細胞卻沒有這種能力。以上體內外實驗證實線粒體分裂是巨噬細胞有效吞噬腫瘤細胞的必要條件（圖1）。

圖1 線粒體分裂促進巨噬細胞吞噬腫瘤

圖2 該課題的主要機制示意圖

Actin極化是巨噬細胞吞噬大顆粒物質時吞噬機器組裝的主要步驟，該團隊發現線粒體分裂受到抑制后actin極化發生障礙。多項研究表明，胞內蛋白的聚集（液-液相分離）可調控多種細胞的功能。蘇士成團隊首先通過IUPred2A網站進行蛋白結構分析，發現吞噬機器的兩個重要成分WIP和WASP含有長片段的無序區，提示具有容易形成相變的結構。其通過體外液滴形成、漂白實驗和熒光共定位實驗中證明WIP和WASP能形成明顯的液滴。為了探索線粒體分裂與WIP/WASP相分離調控的具體機制，團隊檢測了線粒體分裂時的產物在巨噬細胞吞噬腫瘤細胞時的變化以及對WIP/WASP相分離的影響。結果顯示，WIP/WASP液滴的形成被線粒體分裂后導致的胞內鈣離子水平升高所抑制。在進一步的體外實驗中，他們發現靜息狀態下WIP/WASP相分離阻止了PKC-θ磷酸化WIP，而線粒體分裂產生的胞內高鈣離子水平抑制WIP/WASP液滴的形成，使PKC-θ容易接觸并磷酸化WIP，從而增加巨噬細胞actin極化和對腫瘤細胞的吞噬。

為了探索腫瘤細胞耐受抗體介導的吞噬是否與巨噬細胞線粒體分裂有關，蘇士成團隊通過芯片、Western blot、質譜技術和Ocomine數據庫檢測對促吞噬抗體耐受和敏感腫瘤細胞株中差異蛋白的表達，發現耐受吞噬的腫瘤細胞高表達己糖激酶途徑的關鍵酶GFPT2，且細胞內明顯積聚其下游代謝產物。GFPT2是調控谷氨酰胺分解為谷氨酸鹽的一個限速酶，能促進谷氨酰胺的消耗，而谷氨酰胺的消耗可抑制線粒體的分裂。他們通過抑制腫瘤細胞GFPT2或添加GFPT2底物谷氨酰胺，發現能增加巨噬細胞線粒體的分裂和對耐受腫瘤細胞的吞噬，而去除微環境中的谷氨酰胺抑制了敏感腫瘤細胞的吞噬。通過基因敲除和化學抑制GFPT2酶均能提高臨床單抗在腫瘤治療中的效果。

總的來說，該研究通過對不同抗體介導的腫瘤吞噬模型的研究，揭示了腫瘤微環境谷氨酰胺的競爭抑制巨噬細胞內線粒體分裂和維持WIP/WASP相分離，從而抑制PKC-θ磷酸化WIP和Actin的極化，最終產生臨床抗體耐藥。該研究為增強下一代腫瘤免疫治療效果提供了新的思路。

蘇士成教授為該文的通訊作者，博士后黎江、博士研究生葉盈盈、劉志瀚和張國楊醫生為該論文的共同第一作者。蔡清清教授、馬麗萍教授、馮茹教授為本課題提供了大力支持和幫助。

（中山大學孫逸仙紀念醫院）