PIEZO1

▎药明康德内容团队编辑   10月7日起，万众瞩目的2024年诺贝尔奖就将陆续揭晓，药明康德内容团队将继续为大家送上第一时间的诺奖解读与深度故事。今年又有哪些科学家能获此殊荣？在结果揭晓之前，药明康德内容团队将在这篇文章中回顾4位过往诺贝尔奖获得者近期的前沿科学进展，看看他们在获得最高科学荣誉认可之后，又有了哪些改变认知的全新发现！ 扫描下方二维码或点击“阅读原文” 获得16位诺奖得主人物故事合集↓↓ Jennifer Doudna ▲Jennifer Doudna教授，因发现了可用于基因编辑的方法，获得了2020年诺贝尔化学奖（图片来源：加州大学伯克利分校） 在数千种病毒中发现潜在基因编辑工具 加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的Jennifer Doudna教授因发现CRISPR基因编辑系统而在2020年荣获诺贝尔化学奖。她与合作者在2012年发现，细菌和古细菌中找到的CRISPR能用于基因编辑。 在细菌和古细菌中，这套系统通常用来防御病毒感染。而在2022年的一项《细胞》研究中，Doudna教授发现，自然界中有些病毒实际上早已从它们感染的细菌那里“偷”来了这套基因剪切系统。通过对病毒遗传物质的全面搜索，研究团队发现了6000多种病毒含有CRISPR系统。 这些CRISPR系统涵盖了全部6种已知的CRISPR-Cas类型，并且显现出广泛的变化，有些缺乏关键成分，有些则更为紧凑。噬菌体从细菌那儿搞来这套用来对付自己的CRISPR系统，最可能的原因是击败竞争对手，因为多种病毒可能同时攻击同一种细菌，导致受感染细胞内的“噬菌体战争”。 此次发现最为引人关注的是，噬菌体中的CRISPR系统在应用于基因编辑时具备特殊的优势：病毒用来切割DNA的Cas酶非常小，而较小的酶更容易被送入细胞。这些新来源的CRISPR-Cas酶有一部分也已经在多种类型的细胞中展现了基因编辑的潜力。 DOI：10.1016/j.cell.2022.10.020 让基因编辑效率提升百倍 当下，科学家们已经能够扩展CRISPR-Cas9靶向的位点、降低脱靶的风险……不过，有一个改造目标蛋白质工程始终收效甚微，那就是提升Cas9的基因编辑活性。有研究发现，相比于目前常用的Cas9，嗜热脂肪地芽孢杆菌的Cas9酶（GeoCas9）有更长的蛋白质寿命，然而GeoCas9在人类细胞中的实际编辑效果很差。 为了充分应用GeoCas9的长处，解决它的短处，Doudna教授对GeoCas9进行了定向演化。研究团队使用一种细菌双质粒筛选系统寻找演化活跃的突变，在结合了8个有益突变后，得到了一个全新的GeoCas9突变体，名为iGeoCas9。 iGeoCas9进行基因编辑的效率是原始的GeoCas9的100倍以上。此外，iGeoCas9有着更强的PAM适配性，可以识别更广泛的PAM序列。这一发现有望开发出更广泛、高效的基因编辑系统，以及更强大的CRISPR疗法。 DOI：10.1016/j.cell.2024.04.031 揭开病毒蛋白的神秘面纱 病毒能够快速进化，离不开许多对病毒感染与复制至关重要但功能未知的蛋白。目前，科学家想要解开这些病毒蛋白的谜团，一个可能的方向是破解病毒蛋白结构，从中获得有关蛋白质功能的信息。 在2024年发表于《自然》的一项研究中，Doudna教授团队预测了来自4463感染真核生物的病毒的67715种蛋白质三维结构，并且生成了预测结构数据库。他们使用Foldseek工具将新发现的18192个未知病毒蛋白聚类，依次与来自AlphaFold数据库的230万个已知蛋白聚类进行了比较。 结果显示62%的病毒蛋白仅存在于单一的病毒家族中。剩余的38%病毒蛋白中，很多拥有与非病毒蛋白类似的结构。此外，研究还发现了多达25%的新预测病毒蛋白具有潜在的功能，参与着病毒逃避宿主免疫系统的过程。这项研究为预测新出现的病毒功能提供了全新工具，并将帮助开发出对抗病毒感染的新策略。 DOI：10.1038/s41586-024-07809-y Carolyn Bertozzi Carolyn Bertozzi教授，因在点击化学和生物正交化学领域作出重要贡献，获得了2022年诺贝尔化学奖（图片来源：斯坦福大学） 揭开溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）调控机制 靶向蛋白降解（TPD）疗法是近年快速兴起的治疗模式，TPD包含多种不同类型疗法，除了进展迅速的靶向蛋白降解嵌合体（PROTAC）药物外，溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）是近年来颇受瞩目的药物类型。 Carolyn Bertozzi教授研究团队于2020年在《自然》发表了首个LYTAC分子，而在2023年的《科学》论文中，研究团队进一步揭示了LYTAC作用详细机制。原理上，LYTAC分子可以同时结合胞外蛋白或膜蛋白的胞外结构域，以及细胞表面的溶酶体靶向受体（TLR）而形成三元复合物，并通过内吞作用（endocytosis）导致蛋白质的内化与降解。 但在开发第一代LYTAC分子时，Bertozzi教授团队发现，无论目标蛋白为何，该分子无法实现超过70%~80%的目标降解，这显示关于LYTAC分子在细胞内作用过程中可能存在某些未知因素限制了靶标蛋白的降解。 通过CRISPR筛选，Bertozzi教授发现当逆转运复合体（retromer complex）基因，例如VPS35、VPS26A、SNX3等，遭到破坏时会促进靶标降解，即这类蛋白对于LYTAC降解具有负面作用。此外，E3连接酶cullin-3（CUL3）的类泛素化（neddylation）也可促进LYTAC复合物在溶酶体中的降解。这项研究的发现除了直接为开发LYTAC药物带来启示外，也为许多基于细胞表面受体-溶酶体运输疗法模式的开发带来洞见。 DOI：10.1126/science.adf6249 Ardem Patapoutian Ardem Patapoutian教授，因在发现感知温度和触觉的受体上作出突出贡献，获得2021年诺贝尔生理学与医学奖（图片来源：斯克里普斯研究所） 找到痒的“开关” 2010年，Patapoutian教授的研究团队首次鉴定出了一类能够感知触碰、振动的机械力感受器，他们以希腊语中的“压力”将其命名为PIEZO蛋白。PIEZO家族包括两个成员PIEZO1与PIEZO2，与PIEZO2相比，PIEZO1一度被认为几乎不存在于感觉神经元中。 但在2022年的《自然》论文中，Patapoutian教授和同事发现，Piezo1现身于一小部分感觉神经元中，而从这些感觉神经元表达的几种受体来看，它们应该对化学刺激引发的痒很敏感。小鼠实验结果表明，如果这些对痒敏感的感觉神经元中没有了Piezo1，那么小鼠在被“挠痒痒“时，就会对痒变得很迟钝。 除了”正常的痒“以外，病理性的痒也和Piezo1有关。特应性皮炎的一个主要症状就是慢性瘙痒，当给这些小鼠的感觉神经元删除了Piezo1基因或使用Piezo阻断剂后，它们抓伤的频率明显减低。新的发现将有助于科研人员为某些疾病带来的慢性瘙痒带来治疗方法。 DOI：10.1038/s41586-022-04860-5 H. Robert Horvitz H. Robert Horvitz教授，因发现器官发育与程序性死亡的遗传机制，获得2002年诺贝尔生理学与医学奖（图片来源：麻省理工学院） 简单一步把癌细胞“挤出去” Horvitz教授团队曾在《自然》杂志发表了一项关于细胞挤压（cell extrusion）的研究，该发现可能为癌症治疗带来新的思路，因为这一方式或能帮助身体清除癌细胞，把它们“挤出”体外。 在线虫模型中，Horvitz教授发现如果阻碍细胞凋亡发生，一些细胞依旧有办法自我毁灭，而它们靠的就是“细胞挤压”，就是将不要的细胞从一层组织里“挤出去”，而不会影响到剩下的细胞。但它为何发生仍然不清楚。 在2021年的一项研究中，作者使用无法进行细胞凋亡的线虫，逐个降低其中1.1万多条基因的表达，观察哪些基因对“细胞挤压”过程也有关键作用。出乎他们的意料，与“细胞挤压”有关的基因，很多也和细胞分裂周期有关，比如抑癌基因tp53也与“细胞挤压”的启动有关，这表明tp53在抑制癌症产生之外，还可能参与将癌变细胞“排挤”出健康组织。 同时，这些被挤出去的细胞缺乏DNA复制所需的蛋白和元件，因此细胞分裂陷入停滞。这些被‘挤出去’的细胞具有复制压力，这可能是肿瘤抑制的一个机制。 DOI：10.1038/s41586-021-03526-y 仅用两周时间，她如何挽救无数人的生命？ 从一名流浪儿童，他如何走向诺奖之路？ …… 这些诺奖得主的科学成果如何改变世界， 他们的“开挂”人生又有哪些精彩故事？ 扫描下方二维码或点击“阅读原文” 获得16位诺奖得主人物故事合集↓↓ 本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。 免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。 点个“在看”再走吧~

肝癌、乳腺癌、胰腺癌等常见的实体瘤发生发展过程中往往呈现出组织纤维化和硬度显著增加的病理特征。临床上纤维化程度高的肿瘤病例通常与不良预后紧密相关，表明肿瘤硬度变化与肿瘤的治疗效果息息相关，但内在机制尚未阐明。5月13日，细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院/翔安医院的周大旺与陈兰芬教授联合陆军军医大学免疫学研究所、昌平实验室的叶丽林教授课题组在Cell杂志上在线发表了题为“Osr2 functions as a biomechanical checkpoint to aggravate CD8+ T cell exhaustion in tumor”的研究论文，揭示了在肿瘤组织纤维化和硬度增加的应激情况下，T细胞表面机械力感应受体Piezo1通过激活转录因子Osr2促进T细胞功能耗竭无法肿瘤杀伤的重要机制。具体来说，研究人员首先在病人肝癌样本中观察到肿瘤组织高度纤维化的区域驻留了大量的耗竭性CD8+T细胞。通过原子力显微镜测量发现，高度纤维化区域其硬度显著强于周围组织，这启发研究人员探究肿瘤内机械硬度与CD8+T细胞功能调节的相关性。深入研究分析发现CD8+T细胞表达多种机械力感应受体，其中Piezo1受体的表达量尤为显著。结合基因敲除及体内外实验证明，机械力应激可通过激活Piezo1受体有效促进CD8+T细胞功能失调与耗竭。机制研究揭示了T细胞通过其表面机械力感应受体Piezo1与T细胞受体TCR信号协同上调效应转录因子Osr2并介导了CD8+T细胞的功能失调。通过单细胞测序及原位染色分析肝癌病人与小鼠肿瘤的组织样本发现，转录因子Osr2在肿瘤硬度微环境的终末耗竭T细胞中高度富集，进一步验证了转录因子Osr2关联于肿瘤硬度和T细胞耗竭。同时，发现Osr2通过招募组蛋白去乙酰化酶HDAC3抑制CD8+T细胞效应基因表达导致其功能耗竭。CD8+T细胞中敲除Osr2或者使用HDAC3的抑制剂则能够有效缓解T细胞的耗竭并显著地抑制肿瘤生长。缺乏Osr2增强了抗肿瘤免疫近年研究表明CAR-T细胞免疫疗法在血液肿瘤领域取得极大突破，而与血液肿瘤相比，实体肿瘤硬度较高，CAR-T疗法在实体肿瘤中则因为功能耗竭而显得疗效十分有限。该工作的发现有望揭示实体肿瘤中T细胞功能如何失活之谜。总结来说，该研究明确了Osr2作为一个响应机械刺激的转录因子，在肿瘤硬度微环境中加剧了CD8+T细胞的功能失调与耗竭，为Piezo1-Osr2信号作为肿瘤治疗靶点奠定了理论基础，有望为实体瘤治疗提供新思路。备注：本文转载自厦门大学生命科学学院（原标题：周大旺与陈兰芬教授在Cell期刊发文揭示生物力学信号调控T细胞肿瘤免疫功能），文中图片均来自Cell。参考资料：[1]https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00448-3#%20[2]https://life.xmu.edu.cn/info/1045/14861.htm推荐阅读蛋白降解技术盘点：LYTAC、ATAC、AbTAC、PROTAB、REULR、KineTAC、IFLD……里程碑！首个Prime Editing基因编辑疗法获批临床Copyright © 2024 PHARMCUBE. All Rights Reserved.欢迎转发分享及合理引用，引用时请在显要位置标明文章来源；如需转载，请给微信公众号后台留言或发送消息，并注明公众号名称及ID。免责申明：本微信文章中的信息仅供一般参考之用，不可直接作为决策内容，医药魔方不对任何主体因使用本文内容而导致的任何损失承担责任。

*仅供医学专业人士阅读参考近日，厦门大学的周大旺与陈兰芬教授联合陆军军医大学的叶丽林教授团队破解了肿瘤“压垮”T细胞的机制。论文于近日发表在《细胞》期刊上[1]。真是物理意义上的压垮！他们发现，肿瘤组织中硬度较高的高度纤维化区域，可以通过机械应力诱导抗肿瘤T细胞功能耗竭。T细胞表面的机械敏感性通道蛋白能够将这种外来的机械应力转变为细胞内生化信号，与T细胞表面受体（TCR）信号协同诱导转录因子Osr2的表达，重塑T细胞表型，促进功能耗竭。这项研究鉴定Osr2为CD8阳性T细胞在响应机械应力时的一个关键免疫检查点。小鼠实验中，敲除Osr2可以大大缓解CAR-T疗法应用于实体瘤治疗时的T细胞耗竭问题，提高疗效。论文首页截图在发生和进展过程中，肿瘤不仅会改变生物学行为，还会改变物理特性。论单个肿瘤细胞，通常是要比非恶性肿瘤细胞更软。2021年发表在Nature Biomedical Engineering的一篇论文已经揭露肿瘤细胞“以柔克刚”的手段[2]，将细胞硬度减低鉴定为一种物理免疫检查点，证明通过消耗肿瘤细胞质膜胆固醇使硬度增加，能够削弱其对T细胞杀伤作用的抵抗。细胞外基质（ECM）呢，其结构改变和硬度增强是癌症的典型标志。这些变化主要由肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）引起，与细胞外基质蛋白的异常产生和交联相关，导致实体瘤组织通常比正常组织更为坚硬。这种“地形”变化对T细胞的作战行动造成了影响，降低ECM硬度可以改善T细胞迁移和提高癌症免疫检查点阻断（ICB）疗效，而这方面的机制尚不明了。此次，研究团队试图探索和理解ECM硬度变化对CD8+T细胞的具体影响和潜在机制。研究团队利用肝细胞癌患者的样本观察到，肿瘤组织的高纤维化区域富集着处于耗竭状态的CD8+T细胞（TEX）。在构建体外模型，使用不同硬度的聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝胶模拟肿瘤微环境时，他们发现ECM硬度提高会显著促进和增强活化T细胞的耗竭，表现为IFN-γ和TNF-α的低表达及PD-1和TIM-3的高表达。这意味着，肿瘤可能借以坚硬的ECM，给T细胞施加着真正物理意义上的巨大压力。（真·压力大到歇菜）患者肝癌组织样本和体外实验模型结果显示，ECM硬度与T细胞耗竭有关要想帮助T细胞解困，我们得先找到T细胞身上的“受力点”，也就是负责感受机械刺激并将其转化为细胞内生化信号的机械敏感性离子通道 （MSIC）。经过体外实验和小鼠实验验证，研究团队将目光锁定在机械敏感性离子通道蛋白Piezo1上。他们发现，Piezo1在活化CD8+T细胞表面高度表达，Piezo1感受到外界的机械应力后激活，结构改变、通道开放，促进钙离子内流，导致了CD8+T细胞的耗竭程度。使用Piezo1抑制剂或者基因敲除手段，可以减轻CD8+T细胞在硬化培养基质或肿瘤中的耗竭情况，表现出更强的细胞毒性和增殖能力；相反，Piezo1激活剂处理会抑制CD8+T细胞的增殖和产生IFN-γ。接下来的研究，揭示了肿瘤组织如何使用物理攻击压垮T细胞。从机制上来看，当T细胞遇到高硬度的ECM时，Piezo1作为机械敏感性离子通道将机械应力转化为钙信号，激活T细胞内CREB等转录因子，进而促进转录因子Osr2表达。Osr2的上调能够重塑T细胞的表观遗传状态，抑制T细胞杀伤功能的基因表达，从而引起和加剧T细胞的耗竭状态。此外，Osr2的表达不仅依赖于机械应力，还需要通过T细胞受体（TCR）的信号共同诱导。机制正巧，CAR-T细胞疗法在实体瘤中面临的一大挑战，便是无法避免的T细胞功能衰竭。利用结直肠癌小鼠模型，研究团队探索敲除Osr2的基因是否能够提升CAR-T细胞疗法在实体瘤治疗中的效果。结果显示，相较于Osr2正常表达的CAR-T细胞，敲除Osr2的CAR-T细胞在输注回小鼠体内后，对肿瘤生长的控制明显增强。T细胞增殖数量增加、凋亡数量减少，表达细胞毒性因子的效应T细胞占比增多，PD-1、TIM-3和LAG-3等耗竭相关标志物表达降低。也就是说，Osr2有望成为针对实体瘤中CAR-T细胞功能衰竭的新干预靶点，这为提升固体肿瘤免疫治疗效果开启了新的可能。敲除Osr2可以缓解CAR-T疗法中的T细胞耗竭问题这项研究拓展了我们对肿瘤利用其物理特性进行免疫逃逸的理解，又找到了一种帮助抗肿瘤T细胞排忧解难的方式嘿。 参考文献：[1]https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00448-3[2]Lei K, Kurum A, Kaynak M, et al. Cancer-cell stiffening via cholesterol depletion enhances adoptive T-cell immunotherapy. Nat Biomed Eng. 2021;5(12):1411-1425. doi:10.1038/s41551-021-00826-6本文作者丨张艾迪