《科学》:刷新认知!科学家首次发现,杀伤性T细胞持久的抗癌能力竟然有赖于线粒体的翻译能力,而不是线粒...

兜帽,袖剑,爬墙。中世纪刺客的形象算是跃入脑海了。

奇点糕被各个游戏中的刺客形象所深深吸引,总是不禁脑补:刺客是不是身上背着哆啦A梦,想要多少武器,飞镖匕首子弹啥的,都能给扔出来,然后就可以旋转跳跃不停歇,完成刺杀行动。

在我们的免疫系统里,杀伤性T细胞(CTL)也是刺客一般的存在,它们不仅能够高效、精准地解决入侵者,还能够保持持续、高昂的战斗状态,通过分泌穿孔素、颗粒酶B、IFN-γ、TNF-α等细胞因子来击杀入侵的病原体或受损的细胞[1,2]。

那么,又是谁保证了杀伤性T细胞的持续杀伤能力呢?

首先排除哆啦A梦的存在。

近日,一篇发表在顶级期刊《科学》上的文章提出,单个杀伤性T细胞能持续作战,竟是依赖于线粒体的翻译能力,而不是线粒体提供的能量[3]!

来自剑桥大学的Gillian M. Griffiths带领她的团队发现,线粒体翻译通过调控穿孔素、颗粒酶B、IFN-γ、TNF-α等杀伤关键因子的合成,来保证CTL的杀伤持续性。如果线粒体翻译受损,则会导致CTL的持续杀伤能力缺陷

论文首页截图

我们都知道,细胞里的线粒体属于“带资进组”,有自己的一套遗传系统,包括线粒体基因复制、转录、翻译等,在线粒体基因和核基因的共同调控下执行功能,是细胞不可或缺的一部分。

在线粒体外膜上存在一种去泛素化酶——USP30。酶如其名,USP30能够抑制泛素化作用,防止线粒体被细胞的自噬行为“误食”[4]。而有研究发现,USP30还能够调控CTL的杀伤功能[5]。

Griffiths和她的团队便想到,目前还没有研究提出线粒体在CTL杀伤功能中扮演了什么角色。那会不会正是由于USP30的缺失,使得细胞内线粒体缺陷,才影响了CTL杀伤能力?

于是,研究者们从USP30缺失型小鼠出发,对线粒体和CTL杀伤功能之间的关系一探究竟。

他们发现,和野生型小鼠相比,虽然USP30缺失小鼠的T细胞依旧能正常分化成CTL,但在大多数(92%)CTL中,线粒体数量都有所减少、形态发生改变,主要的氧化磷酸化等功能也明显受损

左:野生型CTL的线粒体正常;右:USP30缺失的CTL中,线粒体受损

不仅如此,USP30缺失的CTL还有持续性杀伤的缺陷。如果需要进行长时间杀伤或是CTL数量有限,杀敌就颇为吃力

在短期杀伤实验中,当CTL与靶细胞的数量比超过25:1时,USP30缺失的CTL仅能杀死40%的靶细胞,而正常CTL却能杀死全部靶细胞。

在长期(12h)杀伤实验中,当CTL与靶细胞数量比为1:1时,USP缺失的CTL在前4个小时还能与正常CTL的杀伤能力抗衡,但随后却无法进一步杀伤靶细胞。说明USP30缺失的CTL会随着时间推移失去杀伤能力。

左:短期杀伤实验;右:长期杀伤实验

也就是说,USP30缺失并没有耽误T细胞成为一名刺客,只不过线粒体出了点儿小问题,而且削弱了CTL杀伤的持续性。

所以,线粒体的这点儿问题,是如何影响到CTL的持续杀伤能力的呢?

在大多研究中,线粒体都是以“能量工厂”的身份出现,通过能量供应和氧化损伤等来影响细胞的某些功能。出乎意料的是,在UPS30缺失引起线粒体异常的情况下,CTL的总ATP水平并没有扰动,CTL的运动、极化、信号传导和分泌等行为也没受到影响

受损的竟是穿孔素、颗粒酶B、IFN-γ、TNF-α等杀伤关键细胞因子的翻译过程

Griffiths和她的团队发现,USP30缺失并没有引起CTL中杀伤因子相应的mRNA水平变化,只是翻译过程存在异常。而一旦这些杀伤因子的蛋白合成受到抑制,就会削弱CTL的杀伤持续性

令人惊讶的不止这一点。这些杀伤因子都是胞质蛋白,然而根据蛋白质组分析,USP30缺失的CTL中,胞质核糖体是完好无损的;另一方面,USP30缺失主要引起线粒体蛋白的水平下降,其中,线粒体核糖体蛋白的水平下降幅度最大

在USP30缺失的CTL中,表达水平显著下降的蛋白质。线粒体蛋白占主要

这么来看,这些杀伤关键因子的合成可能是受线粒体翻译功能的影响。

进一步用强力霉素(doxycycline,DOX)选择性抑制正常CTL中的线粒体翻译时,果真1小时后便检测到这些杀伤因子的翻译过程被抑制,4个小时后CTL出现杀伤力减弱

这也就意味着,线粒体翻译保证了穿孔素、颗粒酶B、IFN-γ、TNF-α等杀伤武器及时装填,成为CTL能够持续杀敌的重要保障

选择性抑制线粒体翻译后,CTLs杀伤关键因子的合成受抑制

至于线粒体翻译具体是如何调控这些胞质蛋白翻译过程的,研究者们发现,由于USP30缺失导致表达水平下调的蛋白质中,有68%参与细胞代谢。其中包括一些能与RNA结合的代谢酶(RBPs),这些RBPs已经被证明能够对穿孔素、颗粒酶B、TNF-α、IFN-γ等杀伤因子进行转录后调控[6,7]。

对此他们提出,当线粒体翻译受损时,这种代谢重组导致了杀伤关键因子的选择性减少

总体来说,研究者们发现了单个杀伤性T细胞就能够持续作战的秘密。

穿孔素、颗粒酶B、TNF-α、IFN-γ等细胞因子是杀伤性T细胞用于杀伤的武器,而线粒体翻译能够调节这些杀伤关键因子的合成,为杀伤性T细胞的武器供应提供保障,从而进行持续性杀伤

杀伤性T细胞为何能持续不断地进行杀伤,算是有了定论。

而关于游戏里刺客的秘密,奇点糕也早有自己的定论——其实刺客的斗篷里住着会做武器的手艺人!

参考文献:

[1]P. Golstein, G. M. Griffiths, An early history of T cell-mediated cytotoxicity. Nat. Rev. Immunol. 18, 527–535 (2018)

[2]A. Wiedemann, D. Depoil, M. Faroudi, S. Valitutti, Cytotoxic T lymphocytes kill multiple targets simultaneously via spatiotemporal uncoupling of lytic and stimulatory synapses. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 10985–10990 (2006).

[3]Lisci M, Barton PR, Randzavola LO, Ma CY, Marchingo JM, Cantrell DA, Paupe V, Prudent J, Stinchcombe JC, Griffiths GM. Mitochondrial translation is required for sustained killing by cytotoxic T cells. Science. 2021 Oct 15;374(6565):eabe9977.

[4] N. Nakamura, S. Hirose, Regulation of mitochondrial morphology by USP30, a deubiquitinating enzyme present in the mitochondrial outer membrane. Mol. Biol. Cell 19, 1903–1911 (2008).

[5] L. Abeler-Dörner et al., High-throughput phenotyping reveals expansive genetic and structural underpinnings of immune variation. Nat. Immunol. 21, 86–100 (2020).

[6]M. Turner, M. D. Díaz-Muñoz, RNA-binding proteins controlgene expression and cell fate in the immune system. Nat.Immunol. 19, 120–129 (2018).

[7]F. Salerno, M. Turner, M. C. Wolkers, Dynamic posttranscriptional events governing CD8+ T cell homeostasis andeffector function. Trends Immunol. 41, 240–254 (2020).

本文作者 | 张艾迪

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