《PNAS》当坏细胞变好:利用细胞自相残杀来治疗癌症

科学家们解开了一个被搁置近25年的细胞谋杀之谜。从果蝇到老鼠再到人类的一系列证据表明，同类相食的细胞可能会导致一种罕见的人类免疫缺陷。现在，这一发现显示了加强一种有前途的癌症治疗的希望。

研究人员在《PNAS》上发表了他们的发现，目前正在调查其机制和影响。

加州大学圣巴巴拉分校的Denise Montell说:“这篇论文让我们从果蝇的基本细胞生物学开始，解释了一种人类疾病，并利用这些知识进行癌症治疗。这些步骤中的每一步都感觉像是一个重大发现，但它们都在这里，都在一篇论文中。”

古老的基因

这个故事的主要角色是一个基因，Rac2和它所编码的蛋白质。Rac2是人类三个Rac基因之一。Rac在进化过程中非常古老，所以它必须发挥基本功能。

Rac蛋白帮助构建细胞的支架，称为细胞骨架。细胞骨架是由动态细丝组成的，这些细丝允许细胞根据需要保持其形状或变形。1996年，在研究果蝇卵巢中的一小群细胞时，Montell确定Rac蛋白在细胞运动中起着重要作用。从那时起，人们就清楚地认识到Rac是动物细胞中几乎普遍存在的细胞运动调节因子。

早在上世纪90年代，她就注意到一种高度活跃的Rac1蛋白，只在苍蝇卵腔的几个细胞中表达，会破坏整个组织。Montell实验室的项目科学家、首席作者Abhinava Mishra解释说:“仅仅在6到8个细胞中表达这种活性Rac就会杀死整个由大约900个细胞组成的组织。”

为什么会发生这种情况?它是如何工作的?这是25年前的悬案。

几年前，越来越多的证据表明，细胞吞噬(也被称为同类相食)与组织破坏有关。在正常的蝇卵发育过程中有一个步骤，某些与边缘细胞相似的细胞会消耗它们的邻居，因为它们不再被需要。事实上，细胞自相残杀并不像你想象的那么罕见:每秒钟就有数百万个老红细胞以这种方式从人体中消失。

Rac2是复杂进食过程的一个组成部分。Rac帮助进食细胞包裹住目标。研究小组很好奇，这种蛋白质的过度活跃形式是否会导致边缘细胞过早地消耗邻近细胞。

为了实现这一点，边界细胞需要识别它们的目标，这需要一种特殊的受体。事实上，当Mishra阻断这种受体时，表达活化Rac的边缘细胞不会消耗它们的邻居，卵室仍然存活且健康。

“我们25年的悬案解决了，这对我们来说非常满意，”Montell说。“但这是果蝇卵子发育的一个相当小众的区域。”不过，其影响很快就会扩大。

一种神秘的免疫状况

就在Montell实验室的取得突破的时候，他们在《Blood》杂志上发现了一项有趣的研究。这篇论文发现，三个没有血缘关系的反复感染患者都有完全相同的突变，这种突变会过度激活Rac2，这是血细胞中产生的一种Rac蛋白。她怀疑她的实验室最近在果蝇身上的发现可能会解开这个谜团。

这些患者的基因突变只是轻度激活，但这足以让他们都遭受多重感染，最终需要进行骨髓移植。血液测试显示，这些患者几乎没有T细胞，这是一种对免疫系统至关重要的特殊白细胞。美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的研究小组将Rac2突变基因植入小鼠体内，发现了同样神秘的T细胞缺失。他们还发现，Rac过度活跃的T细胞在动物的骨髓中正常发育，并迁移到胸腺，在那里它们继续成熟，没有任何意外。但后来它们似乎就消失了。因此，这篇论文以一个谜结尾:是什么导致T细胞消失?

该期刊研究的作者注意到，许多患者的中性粒细胞(另一种白细胞)增加了。他们似乎消耗了大量的物质，这在一个健康的人身上是不寻常的行为。

Montell想知道，患者的T细胞消失是否因为他们的先天免疫细胞，如具有活性Rac2的中性粒细胞正在吞噬它们，就像具有活性Rac的果蝇边缘细胞正在吞噬卵室一样。她的团队将注意力转向巨噬细胞——中性粒细胞更贪婪的对应物——来进行研究。Mishra与T细胞一起培养具有或不具有高活性Rac2的人巨噬细胞。他观察到，Rac过度活跃的巨噬细胞消耗了更多的细胞，证实了该小组在果蝇研究中的假设。

为了测试这是否会导致观察到的免疫缺陷，合著者Melanie Rodriguez (Montell实验室的研究生)从患有与患者相同的过度活跃的Rac2突变的鼠身上提取了骨髓样本。然后，她将骨髓干细胞培养成巨噬细胞，并进行了与Mishra类似的实验，但这次将巨噬细胞和T细胞混合在一起，其中有或没有Rac2突变。

她发现具有活性Rac2的巨噬细胞比正常的巨噬细胞消耗更多的T细胞。然而，具有活性Rac2的T细胞也更容易被两种巨噬细胞消耗。因此，对患者T细胞缺失最可能的解释是巨噬细胞消耗增加和T细胞自身脆弱性增加的结合。基于对果蝇的基本观察，一个人类医学之谜得到了解决。

利用混乱的细胞

这些见解的影响在2020年1月得到扩展，当时合著者Meghan Morrissey面试了UCSB的一个教员职位。在她的演讲中，她描述了编程巨噬细胞吞噬癌细胞作为一种新的治疗方法，这种方法被称为CAR-M。在巨噬细胞中加入CAR受体可以促进这种行为。但同样清楚的是，诱导巨噬细胞吃得更多会使这种方法更有效——特别是如果它们能特异性地消耗并杀死整个癌细胞。

Montell发现了如何让巨噬细胞吃掉并杀死整个活细胞。因此，他们与Morrissey合作，以确定添加活化的Rac2是否会提高CAR-M方法的有效性。Morrissey现在是分子、细胞和发育生物学的助理教授。

Rodriguez用激活了Rac2的正常小鼠和突变小鼠的骨髓培养巨噬细胞。在每一组中，要么表达假受体，要么表达识别B细胞(另一种白细胞)的CAR受体。他们发现带有假受体的正常和过度活跃的Rac细胞不会吃掉很多B细胞目标。正如Morrissey先前所表明的那样，具有CAR受体的正常巨噬细胞消耗的B细胞要多得多。然而，Rac和CAR受体均过度活跃的巨噬细胞摄入的B细胞数量是CAR-only组的两倍。激活的Rac2似乎也增加了所谓的“超级食客”的数量——贪婪的巨噬细胞吃掉并杀死多个癌细胞。

结果表明，活化的Rac和受体都是增强效果所必需的。“如果你在没有正确受体的情况下添加活性Rac，它就不会起任何作用，”Montell解释说。

这种程度的控制对于任何潜在的治疗来说都是好消息，因为这将给医生提供一种方法来集中修饰巨噬细胞对癌细胞的攻击。临床医生也不需要担心工程细胞会吞噬病人的T细胞，因为T细胞不会像Rodriguez之前发现的那样，有活性的Rac2突变，使它们更容易受到攻击。

目前有一种叫做CAR- t的癌症治疗方法，它利用CAR受体和患者自身的T细胞来攻击和摧毁癌症。它对某些癌症非常有效，但也有许多癌症没有反应。CAR-M是CAR-T的新表亲，最近进入了人体临床试验，目前看来是安全的。Montell和她的团队对利用Rac增强的CAR巨噬细胞来提高CAR-M治疗的疗效很感兴趣。他们已经为这项技术申请了临时专利——他们称之为RaceCAR-M——并邀请生物技术公司合作进一步开发这种方法。

这篇新的多方面的论文提出了基础科学和实际问题，实验室已经开始解决这些问题。他们正在研究这项在实验室中非常有效的技术，是否也适用于新收集的人类免疫细胞和动物癌症模型，比如鼠和斑马鱼。该团队还在探索Rac2是如何在细胞深处的分子水平上实现这一切的。

更进一步，Montell想知道RaceCAR-M疗法能成功治疗多少种癌症。相比之下，CAR-T对白血病和淋巴瘤等癌症有效，但对乳腺癌、肺癌或结肠癌等实体瘤癌症无效。

这一结果让Montell感到惊讶，她是一位受人尊敬的细胞生物学家，发表了100多篇论文。“到目前为止，这是我最喜欢的论文，”Montell补充说。“我们在果蝇身上发现了这个25年的悬案，我们解决了它。这帮助我们解开了无法解释的人类免疫缺陷之谜。然后我们利用这些知识来增强一种潜在的癌症免疫疗法。这只是一个又一个的谜团，而拉克是每个谜团的答案。”

Hyperactive Rac stimulates cannibalism of living target cells and enhances CAR-M-mediated cancer cell killing