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钾离子:一把表型钥匙

作者:香雪生命科学研究中心-陈艾媛

发布时间:2019-05-15

阅读:49

 

       研究者们在对肿瘤进行临床研究时经常发现:肿瘤周围虽然浸润着大量的抗原特异性的淋巴细胞(tumor infiltrating lymphocyte,TIL),但通常它们在体内却处于无能的状态(dysfunction)从而不对肿瘤细胞进行有效攻击,这种无能的状态通常被认为是由于TIL长期暴露于抗原刺激之下而导致的。但近期的一项研究发现,在这群“无能”的TIL中存在着一群非常有“潜能”的T细胞,它们具有干细胞的某些特征,诸如自我更新、多向分化潜能、长期存活等。究竟这群细胞还有何特质,它们在肿瘤微环境里是在何种机制下形成的,它们在抗肿瘤方面的表现又如何呢?针对以上问题,Nicholas Restifo及其团队开展了一系列研究,其研究成果于今年四月作为封面文章发表在Science杂志上。

 

        Nicholas Restifo团队开展的这项研究的是基于以下理论背景知识及推测猜想:T细胞被激活后,从初始状态的T细胞分化为其他状态时需要摄取及消耗细胞外的营养物质来进行有氧糖酵解供能,此时它的代谢模式是以mTOR为主的合成代谢;但有不少研究发现,当细胞处于营养匮乏环境时会转换其代谢模式,并转化为“干细胞样”状态以获得长期存活能力。细胞内钾离子的浓度约为细胞外的30倍(~145mM和~5mM),保持这一细胞内外浓度差有利于维持细胞内外的电化学梯度,以维持营养物质的有效摄取。但在肿瘤区域当大量细胞发生死亡时,其胞内的物质释放至胞外,其中也包括高浓度的钾离子,这样势必会造成局部T细胞处于胞外高钾状态,胞外高钾打破了T细胞内外的钾离子浓度差,从而不利于营养物质的有效摄取,无法摄取营养物质的“饥饿压力”迫使T细胞转为“干细胞样”状态。并且,由于无法有效摄取营养物质,这些“干细胞样”的T细胞无法完成从初始状态向效应状态的转化,从而被“锁”在了“干细胞样”的状态中,故而展现出“无能”这一特征。

 

        研究者先是通过特制的培养基在体外模拟了T细胞胞外高钾的状态,发现在高钾环境下培养的T细胞其糖酵解水平及胞内必须氨基酸的含量都大幅降低,证实胞外高钾确实阻碍了T细胞对营养物质的有效摄取。并且处于胞外高钾的T细胞,其自噬体的形成这一生理活动增强,由于其重要营养物质摄取障碍迫使其代谢状态也被重新编程进入到由线粒体主导的代谢模式,从而表现出“干细胞样”的细胞表型。在这一过程中,研究者们观察到高钾状态下细胞内总的乙酰辅酶A增加,而胞质和细胞核内的乙酰辅酶A则减少了,推测乙酰辅酶A在线粒体内被大量消耗了。乙酰辅酶A在基因的转录中起到了关键性的作用,它参与一些基因的启动子和增强子组蛋白的乙酰化,从而影响转录过程。研究者推测线粒体外低水平的乙酰辅酶A使得负责编码效应表型的启动子和增强子组蛋白无法完成乙酰化,故而无法完成T细胞向其他表型的转化。研究者们利用ChIP-PCR和ChIP-seq技术先从基因水平上证实了这一猜测:T细胞功能相关的基因,连同活化及耗竭相关的基因,它们的启动子和增强子组蛋白被乙酰化的水平大幅降低了。由于乙酰辅酶A无法自由地通过线粒体膜,必须利用柠檬酸这一中间体的形式实现从线粒体到胞质的运输;而柠檬酸在胞质中的分解需要ATP柠檬酸裂解酶(enzyme ATP citrate lyase, ACLY)的参与,研究者向正常细胞培养体系中加入2-羟基柠檬酸盐(2-dydroxycitrate,2-HC)来抑制ATP柠檬酸裂解酶从而导致转运至胞质中的柠檬酸无法正常水解为乙酰辅酶A,利用这一方式来达到胞质内低乙酰辅酶A这一状态。实验结果显示,这一抑制过程展现出和胞高钾离子类似的实验结果:和效应T细胞功能相的基因的启动子乙酰化减弱,细胞表型开始向“干细胞样”转换。简而言之,以上实验证实了胞外高钾环境可以使T细胞发生代谢模式的转变,而代谢模式的转变影响了胞质内乙酰辅酶A的含量,低水平的乙酰辅酶A影响了特定基因的转录水平,故而展现出其细胞表型被“锁”在了“干细胞样”状态。

 

       在动物实验上也同样展示出令人振奋的结果:胞外高钾离子条件下培养出的T细胞回输到接种黑色素瘤的小鼠体内后展现出很好的控制肿瘤效果——空白对照组20天内全部死亡,正常对照组30天存活率仅为约20%,而高K+组30天的小鼠存活率高达100%。用2-HC进行干预处理的T细胞在小鼠实验上也展现出同样优异的肿瘤控制效果:正常对照组50天小鼠存活率为0%,而实验组50天小鼠存率高达100%。除此之外,两者在肿瘤面积上也展现出非常好的控制效果。

 

       通常大家都很容易忽略类似于钾离子水平这样非常基础性的细胞培养条件,但这项研究恰恰是从这样一个基础性的因素着手,研究了胞外高钾离子对T细胞的影响并探明了其背后的机理,也从这一角度解答了TIL无能的原因之一,并向我们展示了这类环境中所导致的“干细胞样”T淋巴细胞在抗肿瘤方面的巨大潜能,同时也为如何打破肿瘤免疫抑制提供了新思路。

 

完整原文及数据,参见 Vodnala, S.K., et al., T cell stemness and dysfunction in tumors are triggered by a common mechanism. Science, 2019. 363(6434).

 

 

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