在博士生哈德利·漢森(Hadley Hanson)的巨噬細胞吞噬癌細胞的畫作中，培養皿變成了畫布
科學家們解開了一個細胞謀殺之謎，這個案件在近25年的時間裏一直懸而未決。從果蠅到老鼠再到人類的一系列證據表明，同類相食的細胞可能會導致一種罕見的人類免疫缺陷。現在，這一發現顯示出增強癌癥治療前景的希望。
加州大學聖塔芭芭拉分校的丹尼斯·蒙特爾說:「這篇論文讓我們從蒼蠅的基本細胞生物學開始，解釋了一種人類疾病，並利用這些知識進行癌癥治療。」「這些步驟中的每一步都像是重大發現，但它們都在一篇論文中。」
蒙特爾實驗室的研究人員在【美國國家科學院院刊】(Proceedings of the National Academy of Sciences)上發表了他們的研究結果，目前正在研究其機制和影響。
古老的基因
這個故事的主要角色是一個基因，Rac2和它所編碼的蛋白質。Rac2是人類三個Rac基因之一。「Rac在前進演化過程中非常古老，所以它必須發揮基本功能，」資深作者、達根教授和分子、細胞和發育生物學傑出教授Montell說。
Rac蛋白幫助構建細胞的支架，稱為細胞骨架。細胞骨架是由動態細絲組成的，這些細絲允許細胞根據需要保持其形狀或變形。1996年，在研究果蠅卵巢中的一小群細胞時，Montell確定Rac蛋白在細胞運動中起著重要作用。從那時起，人們就清楚地認識到Rac是動物細胞中幾乎普遍存在的細胞運動調節因子。
早在上世紀90年代，她就註意到一種高度活躍的Rac1蛋白，只在蒼蠅卵腔的幾個細胞中表達，會破壞整個組織。Montell實驗室的專案科學家、首席作者Abhinava Mishra解釋說:「僅僅在6到8個細胞中表達這種活性Rac就會殺死整個由大約900個細胞組成的組織。」
為什麽會這樣？它是如何工作的呢？「這是我們25年前的懸案，」蒙特爾說。
幾年前，越來越多的證據表明，細胞吞噬(也被稱為同類相食)與組織破壞有關。在正常的蠅卵發育過程中有一個步驟，某些與邊緣細胞相似的細胞會消耗它們的鄰居，因為它們不再被需要。事實上，細胞自相殘殺並不像你想象的那麽罕見:每秒鐘就有數百萬個老紅細胞以這種方式從人體中消失。
Rac2是復雜進食過程的一個組成部份。Rac幫助進食細胞包裹住目標。研究小組很好奇，這種蛋白質的過度活躍形式是否會導致邊緣細胞過早地消耗鄰近細胞。
為了實作這一點，邊界細胞需要辨識它們的目標，這需要一種特殊的受體。事實上，當Mishra阻斷這種受體時，表達活化Rac的邊緣細胞不會消耗它們的鄰居，卵室仍然存活且健康。
「我們25年的懸案解決了，這對我們來說非常滿意，」Montell說。「但這是果蠅卵子發育的一個相當小眾的區域。」不過，其影響很快就會擴大。
一種神秘的免疫狀況
就在她的實驗室取得突破的時候，蒙特爾在【血液】雜誌上發現了一項有趣的研究。這篇論文發現，三個沒有血緣關系的反復感染患者都有完全相同的突變，這種突變會過度啟用Rac2，這是血細胞中產生的一種Rac蛋白。她懷疑她的實驗室最近在果蠅身上的發現可能會解開這個謎團。
這些患者的基因突變只是輕度啟用，但這足以讓他們都遭受多重感染，最終需要進行骨髓移植。血液測試顯示，這些患者幾乎沒有T細胞，這是一種對免疫系統至關重要的特殊白細胞。美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)的研究小組將Rac2突變基因植入小鼠體內，發現了同樣神秘的T細胞缺失。他們還發現，Rac過度活躍的T細胞在動物的骨髓中正常發育，並遷移到胸腺，在那裏它們繼續成熟，沒有任何意外。但後來它們似乎就消失了。因此，這篇論文以一個謎結尾:是什麽導致T細胞消失?
那篇期刊研究的作者註意到，許多患者的嗜中性球(另一種白細胞)增加了。他們似乎消耗了大量的物質，這在一個健康的人身上是不尋常的行為。
這些發現涉及免疫系統的許多方面
Montell想知道，患者的T細胞消失是否因為他們的先天免疫細胞，如具有活性Rac2的嗜中性球正在吞噬它們，就像具有活性Rac的果蠅邊緣細胞正在吞噬卵室一樣。她的團隊將註意力轉向巨噬細胞——嗜中性球更貪婪的對應物——來進行研究。Mishra與T細胞一起培養具有或不具有高活性Rac2的人巨噬細胞。
為了測試這是否會導致觀察到的免疫缺陷，合著者Melanie Rodriguez (Montell實驗室的研究生)從患有與患者相同的過度活躍的Rac2突變的老鼠身上提取了骨髓樣本。然後，她將骨髓幹細胞培養成巨噬細胞，並進行了與Mishra類似的實驗，但這次將巨噬細胞和T細胞混合在一起，其中有或沒有Rac2突變。
她發現具有活性Rac2的巨噬細胞比正常的巨噬細胞消耗更多的t細胞。然而，具有活性Rac2的t細胞也更容易被兩種巨噬細胞消耗。因此，對患者T細胞缺失最可能的解釋是巨噬細胞消耗增加和T細胞自身脆弱性增加的結合。基於對果蠅的基本觀察，一個人類醫學之謎得到了解決。
利用混亂的細胞
2020年1月，當合著者梅根·莫裏西(Meghan Morrissey)面試UCSB的教師職位時，這些見解的影響得到了擴充套件。在她的演講中，她描述了編程巨噬細胞吞噬癌細胞作為一種新的治療方法，這種方法被稱為CAR-M。莫裏西發現，在巨噬細胞中加入CAR受體可以促進這種行為。但同樣清楚的是，誘導巨噬細胞吃得更多會使這種方法更有效——特別是如果它們能特異性地消耗並殺死整個癌細胞。
好吧，如果Montell和她的實驗室學到了什麽，那就是如何讓巨噬細胞吃掉並殺死整個活細胞。因此，他們與Morrissey合作，以確定添加活化的Rac2是否會提高CAR-M方法的有效性。Morrissey現在是分子、細胞和發育生物學的助理教授。
Rodriguez用啟用了Rac2的正常小鼠和突變小鼠的骨髓培養巨噬細胞。在每一組中，莫裏西要麽表達假受體，要麽表達辨識B細胞(另一種白細胞)的CAR受體。他們發現帶有假受體的正常和過度活躍的Rac細胞不會吃掉很多B細胞目標。正如Morrissey先前所表明的那樣，具有CAR受體的正常巨噬細胞消耗的B細胞要多得多。然而，Rac和CAR受體均過度活躍的巨噬細胞吃下的B細胞數量是CAR-only組的兩倍。啟用的Rac2似乎也增加了所謂的「超級食客」的數量——貪婪的巨噬細胞吃掉並殺死多個癌細胞。
結果表明，活化的Rac和受體都是增強效果所必需的。「如果你在沒有正確受體的情況下添加活性Rac，它就不會起任何作用，」Montell解釋說。
這種程度的控制對於任何潛在的治療都是好訊息，因為它將給醫生提供一種方法來集中修飾巨噬細胞對癌細胞的攻擊。臨床醫生也不需要擔心工程細胞會吞噬病人的t細胞，因為t細胞不會像羅德裏格斯之前發現的那樣，有活性的Rac2突變，使它們更容易受到攻擊。
目前有一種叫做CAR- t的癌癥治療方法，它利用CAR受體和患者自身的t細胞來攻擊和摧毀癌癥。它對某些癌癥非常有效，但也有許多癌癥沒有反應。CAR-M是CAR-T的新表親，最近進入了人體臨床試驗，目前看來是安全的。Montell和她的團隊對利用rac增強的CAR巨噬細胞來提高CAR- m治療的療效很感興趣。他們已經為這項技術申請了一項臨時專利，他們稱之為賽車- m，並邀請生物技術公司合作進一步開發這種方法。
這篇新的多方面的論文提出了基礎科學和實際問題，實驗室已經開始解決這些問題。他們正在研究這項在實驗室中非常有效的技術，是否也適用於新收集的人類免疫細胞和動物癌癥模型，比如老鼠和斑馬魚。該團隊還在探索Rac2是如何在細胞深處的分子水平上實作這一切的。
更進一步，Montell想知道RaceCAR-M療法能成功治療多少種癌癥。相比之下，CAR-T對白血病和淋巴瘤等癌癥有效，但對乳癌、肺癌或結腸癌等實體瘤癌癥無效。
這一結果讓蒙泰爾感到驚訝，她是一位受人尊敬的細胞生物學家，發表了100多篇論文。「到目前為止，這是我最喜歡的論文，」她說。
蒙泰爾補充說:「我們在果蠅身上發現了這個25年的懸案，我們解決了它。」「這幫助我們解開了無法解釋的人類免疫缺陷之謎。然後我們利用這些知識來增強一種潛在的癌癥免疫療法。
「這只是一個接一個的謎，而Rac最終成了每個謎的答案。」
