CaMKII

引言 在细胞中，线粒体（mitochondria）如同微型发电厂，通过氧化磷酸化（OXPHOS）为生命持续供能。然而，这座发电厂的核心密码——线粒体DNA（mtDNA）却异常脆弱，其大片段缺失（deletion）可引发进行性眼外肌麻痹、早衰甚至猝死。研究人员长期被困在三大迷局中：如何在人类细胞中精准制造特定缺失？致病临界值究竟是多少？细胞又如何感知这场能量危机？ 3月10日《Cell》杂志的突破性研究“Engineering mtDNA deletions by reconstituting end joining in human mitochondria”给出了震撼答案。研究团队开发出划时代的"线粒体基因手术刀"，通过跨物种借来细菌DNA修复工具（mito-EJ系统），首次在人类视网膜细胞中实现3.5kb缺失（mtDNAΔScaI）的精准编辑，并揭示75%异质性（heteroplasmy）这一生死攸关的临界点。单细胞多组学技术更解码出两套精密的细胞警报系统：当异常mtDNA超过75%，钙信号通路与长链非编码RNA（lncRNA）会触发"能量破产"程序；而在临界值之下，细胞竟能通过渐进式基因调控维持脆弱平衡！ 这项研究不仅破解了困扰学界30年的技术壁垒，更发现了线粒体与细胞核之间惊人的"跨基因组对话"。从诱导多能干细胞（iPSC）分化模型到常见缺失（common deletion）模拟，这套系统为阿尔茨海默病、帕金森病等退行性疾病的机制研究提供了全新范式。当我们凝视这些基因编辑的细胞，看见的不仅是线粒体疾病的解药曙光，更是人类向生命能量密码发起的终极解码——或许在不远的未来，精准编辑线粒体将像更换电池般改写衰老进程，而这一切，正始于今日这场微观世界的基因革命。 线粒体疾病：藏在细胞能量工厂里的"定时炸弹" 在我们每个细胞的能量工厂——线粒体（mitochondria）中，藏着人类最后的"生命密码本"——线粒体DNA（mtDNA）。这个直径仅0.5微米的环状DNA，编码着13个呼吸链关键蛋白，掌控着细胞90%的能量生产。但就像被反复复印的古老羊皮卷，mtDNA特别容易发生大片段缺失（deletion）。 临床上，这类缺失会导致进行性眼外肌麻痹（PEO）、皮尔逊综合征等致命疾病。更惊人的是，在60岁以上人群的脑组织中，约1/3的神经元携带mtDNA缺失。这些缺失如同能量工厂里的"定时炸弹"：当异常mtDNA占比（异质性，heteroplasmy）超过某个临界值，细胞就会突然崩溃。但研究人员长期面临三大难题： 如何在人类细胞中精准制造特定缺失？ 致命临界值究竟是多少？ 细胞如何感知并应对这种危机？ 《Cell》杂志的突破性研究给出了答案。Memorial Sloan Kettering癌症中心的Agnel Sfeir团队开发出革命性的"线粒体基因手术刀"，首次在人类细胞中实现可控的mtDNA缺失，并发现75%异质性这一生死攸关的临界点。 跨物种基因手术：借来细菌"针线"缝合线粒体 传统基因编辑工具（如CRISPR）无法进入线粒体，而哺乳动物线粒体自身缺乏DNA修复机制。研究团队大胆采用"借刀缝衣"策略： 精准切割：将结核分枝杆菌的Ku蛋白和LigD酶（天然DNA修复工具）装上"线粒体定位信号"，制成mito-EJ系统 定点剪切：使用线粒体靶向限制性内切酶Scal（mito-ScaI），在mtDNA上制造5个切口 强制缝合：当mito-EJ遇到切口时，会将相距3.5kb的两个切口强行连接，精准切除其间的7个基因和3个tRNA 实验数据显示，这套系统在视网膜上皮细胞（ARPE-19）中成功诱导出3.5kb缺失（mtDNAΔScaI），单细胞荧光原位杂交（FISH）证实不同细胞呈现0-100%的异质性梯度。更巧妙的是，通过抑制线粒体核酸酶MGME1，研究人员将缺失精度提升至±279bp，接近天然缺失的13bp重复特征。 75%：揭开线粒体疾病的"死亡临界点" 研究团队从数千个单细胞克隆中筛选出12个异质性梯度细胞系，展开全方位解析： 能量崩溃 当异质性≥75%时，Western blot显示呼吸链复合体I、III、IV的线粒体编码亚基（ND1、CYTB、COX1）完全消失，核编码亚基也同步减少。Seahorse检测显示最大耗氧量（OCR）暴跌60%。 代谢瘫痪 气相色谱-质谱（GC-MS）揭示关键转折： 75%异质性细胞中，三羧酸循环（TCA cycle）代谢物（柠檬酸、苹果酸）减少80% 天冬氨酸（aspartate）水平近乎归零，这是DNA合成的必需原料 撤除丙酮酸（pyruvate）后，细胞增殖完全停滞 形态剧变 高异质性细胞的线粒体网络断裂成碎片，膜电位（membrane potential）显著下降。在依赖氧化磷酸化的半乳糖培养基中，这些细胞3天内集体凋亡。 单细胞多组学：解码细胞的"求生警报系统" 借助改良版DOGMA-seq技术，团队对46个克隆的25,509个单细胞进行多组学解析，发现两套精密的"预警机制"： 阈值响应程序（Threshold-triggered response） 75%临界点：钙信号通路（CAMK2A、TPCN1）、细胞外基质（MMP2、ITGA11）基因突然激活 能量危机：抗氧化基因TXNRD1、己糖激酶HKDC1同步关闭 线粒体RNA异变：ND1、ND2 mRNA异常堆积，依赖RNA结合蛋白LRPPRC稳定 渐进感知程序（Heteroplasmy-sensing） 线性响应：钙调蛋白甲基转移酶（CAMKMT）、磷酸转运体SLC25A3等基因表达与异质性呈正比 表观记忆：长链非编码RNA（NEAT1、FTX）通过染色质可及性变化记录损伤累积 特别值得注意的是，在葡萄糖充足时，核编码的呼吸链基因保持稳定，说明细胞优先维持"面子工程"；而一旦切换至半乳糖环境，所有伪装瞬间瓦解。 基因手术升级：从常见缺失到干细胞改造 这套"mito-EJ"系统展现出强大扩展性： 常见缺失模拟：用TALEN核酸酶诱导4.9kb"常见缺失"（common deletion），成功保留特征性13bp重复 微小缺失制造：在MGME1缺陷细胞中，mito-ApaLI诱导出精确至单碱基的微小缺失 多能干细胞应用：在人胚胎干细胞（ESC）中实现可控缺失，分化神经祖细胞时出现选择性清除 这意味着，研究人员现在可以： 在培养皿中重现任何临床缺失类型 追踪缺失在心脏、神经等不同组织中的扩散规律 测试药物对特定异质性水平的修复效果 改写教科书：线粒体疾病的三大认知革新 这项研究颠覆了多个传统认知： 异质性非线性效应：既往认为细胞能耐受较高异质性，但75%的突变率直接导致"能量破产" 组织特异性阈值：视网膜细胞的高糖代谢特性掩盖损伤，而神经元等终末分化细胞可能更敏感 跨基因组对话：线粒体通过钙信号（Ca2+）与核基因组实时通讯，NEAT1等lncRNA构成"损伤记忆库" 这些发现为临床带来新启示： 开发便携式异质性检测设备，在症状出现前预警 针对CAMKMT等传感基因开发调控药物 利用LRPPRC稳定关键mRNA，延长代偿窗口期 未来：个性化线粒体医学的曙光 站在新起点上，研究人员正朝着三大方向突破： 精准编辑：结合碱基编辑（base editing）技术，实现"点突变修复+大片段删除"联合治疗 体内递送：开发线粒体靶向纳米颗粒，将mito-EJ系统安全送达病变组织 人工智能预测：建立异质性-表型预测模型，为每个患者定制干预方案 该研究使我们第一次拥有了线粒体基因的“分子手术刀”，这不仅是为了修复错误，更是为了理解生命最基本的能量密码。或许在不远的未来，线粒体疾病将像糖尿病一样可防可控，而这项研究正是那把关键的钥匙。 参考文献 https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(25)00194-1 责编|探索君 排版|探索君 转载请注明来源于【生物探索】 声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！ End 往期精选 围观 Nature | 脑肿瘤免疫治疗为何屡屡碰壁？研究人员破解髓系细胞“四副面孔” 热文 Nature | "分子剪刀"失控催生癌症"通用抗原" 热文 Nature | 当"保安"变成"内鬼"：GABA能神经元如何滋养致命脑瘤 热文 Science | 免疫系统的“记忆库”被打开？机器学习诊断准确率逼近99% 热文 Cell | 细胞表面的隐秘世界：改写教科书的神秘分子港口

点击蓝字 关注我们 【导读】 除了典型特征外，肝细胞癌 （HCC） 转移前生态位形成过程中是否存在其他新的病理特征几乎未知。 2025年2月18日，复旦大学附属中山医院和南京医科大学附属泰州人民医院的研究团队在期刊《Nature Communications》上合作发表了题为“A glucose-enriched lung pre-metastatic niche triggered by matrix stiffness-tuned exosomal miRNAs in hepatocellular carcinoma”的研究论文。 这项研究揭示了葡萄糖富集作为肺转移前生态位的新特征，并阐明了基质刚度通过外泌体miRNA调控这一过程的机制， 为HCC的转移研究提供了新的视角和潜在的干预策略。 https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41467-025-56878-8 01 研究背景 HCC是一种侵袭性极强的转移性恶性肿瘤，预后极差，而肺部是其最常见的肝外转移部位。现有的临床研究表明，基质僵硬度的增加与HCC的不良预后呈正相关，肝脏僵硬度已被视为预测HCC进展及其预后的生物标志物。科学界通过建立新的僵硬度相关实验模型，基质僵硬度增加促进HCC侵袭和转移的不同机制已被相继阐明，包括增加HCC血管生成、引发上皮-间质转化、诱导侵袭体形成、增强干性特征、调节脂质代谢、驱动化疗耐药和加强外泌体分泌等。然而，关于基质刚度增加作为起始因素是否以及如何影响转移前生态位中的葡萄糖代谢和供应，人们知之甚少。 02 HCC组织中COL1 high /LOX high 与let-7d-5p和miR-365a-5p的关系及其临床意义 团队发现，COL1 高 /LOX 高 组中let-7d-5p和miR-365a-5p的表达水平均明显高于COL1 低 /LOX 低 组，表明基质僵化与let-7d-5p或miR-365a-5p的表达呈正相关。COL1 高 /LOX 高 组的HCC组织中let-7d-5p和miR-365a-5p水平较高，肿瘤分化较差，COL1 高 /LOX 高 组的HCC患者肿瘤复发率较高。生存期分析显示，COL1 高 /LOX 高 组的HCC患者总生存期（OS）较差，无病生存期（DFS）较差。在生存分析中，let-7d-5p 高 /miR-365a-5p 高 组的HCC患者的OS和DFS均不乐观。在TCGA肝癌患者队列中，let-7d 高 /miR-365a 高 表示不利的OS和DFS。这些数据表明， 基质硬度高和let-7d-5p/miR-365a-5p的高表达，可以更好地预测HCC患者的不良预后和肿瘤复发。 HCC组织中COL1 高 /LOX 高 与let-7d-5p和miR-365a-5p的关系及其临床意义。 03 总结 1. 葡萄糖富集是肺转移前生态位的新特征： 研究发现，肺转移前生态位中存在葡萄糖代谢重编程和葡萄糖富集，这对于肝细胞癌（HCC）细胞的定植、存活和转移病灶的形成至关重要。 2. 基质刚度通过外泌体调控葡萄糖富集： 基质刚度的增加通过外泌体中的miRNA（如let-7d-5p和miR-365a-5p）调控肺转移前生态位的形成，减少葡萄糖的摄取和消耗，同时增加葡萄糖的供应和聚集。 3. 外泌体miRNA的关键作用： 外泌体中的let-7d-5p通过靶向HMGA2/E2F1乙酰化轴抑制肺成纤维细胞中葡萄糖代谢酶的表达，而miR-365a-5p通过TRPC4AP/Ca2+/CaMKII/ERK5/KLF2/4通路增强血管生成和血管通透性，共同促进葡萄糖富集。 4. 葡萄糖富集的病理意义： 葡萄糖富集不仅增强了HCC细胞的粘附和免疫抑制，还促进了转移病灶的形成，表明其作为肺转移前生态位的新特征的重要性。 5. 理论更新与干预方向： 该研究丰富了肿瘤转移前生态位的理论，并为未来肿瘤转移前生态位的干预提供了新的方向。 参考资料： 1.Kaplan, R. N. et al. VEGFR1-positive haematopoietic bone marrow progenitors initiate the pre-metastatic niche. Nature 438, 820–827 (2005). 2.Liu, Y. & Cao, X. Characteristics and Significance of the Pre-metastatic Niche. Cancer Cell 30, 668–681 (2016). 【关于投稿】 转化医学网（360zhyx.com）是转化医学核心门户，旨在推动基础研究、临床诊疗和产业的发展，核心内容涵盖组学、检验、免疫、肿瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究内容发表，欢迎联系我们进行免费报道（公众号菜单栏-在线客服联系），我们的理念：内容创造价值，转化铸就未来！ 转化医学网（360zhyx.com）发布的文章旨在介绍前沿医学研究进展，不能作为治疗方案使用；如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门推荐活动 点击免费报名 🕓 全国｜2024年12月-2025年03月 ▶ 中国转化医学产业大会 🕓 上海｜2025年02月28日-03月01日 ▶ 第四届长三角单细胞组学技术应用论坛暨空间组学前沿论坛 点击对应文字 查看详情

*仅供医学专业人士阅读参考要说癌症的哪种远处转移在奇点糕这儿出镜频率高，那肝转移绝对名列前茅，毕竟它又常见又难搞嘛，而原因其实也很简单——肝脏原本免疫抑制性较强的微环境，就是转移而来癌细胞的保护伞。所以近些年来，科研工作者们也在不断探索调控肝转移灶免疫抑制，乃至帮助它们实现免疫逃逸的各种机制，进而制定出合适的干预策略。近日，复旦大学附属肿瘤医院赵森林、李大卫等研究者在Nature Communications期刊发表了最新研究成果，揭示肝转移灶中的癌细胞可借助过表达转录因子WNT11，同时影响CD8+T细胞的募集、激活和免疫抑制性巨噬细胞的极化，从而实现免疫逃逸和对PD-1抑制剂治疗的耐药，因此WNT11有望成为免疫治疗针对肝转移灶时的疗效预测标志物，它和下游作用分子CAMKII也可成为干预靶点[1]。论文首页截图看名字也能看出，WNT11是主要影响WNT信号通路的转录因子家族成员之一，而WNT/β-Catenin通路的激活可在多种实体瘤中导致免疫排斥[2]。研究者们还注意到，在2023年发表的一项肝转移灶多组学研究[3]中，WNT通路激活也与肝转移灶CD8+T细胞浸润减少显著相关，那当然要深入分析一下具体影响免疫浸润的是WNT通路中的哪个家伙。对既往研究数据的再分析首先显示，WNT11表达水平与肝转移患者的生存预后负相关，而受β-Catenin调控的转录因子AFF3表达水平则与患者生存预后正相关，且WNT11和AFF3二者的表达水平也呈负相关，而WNT11低表达/AFF3高表达肿瘤中的CD8+T细胞浸润相对较多；研究者们又改用本院结直肠癌/胰腺癌肝转移患者队列数据证实，患者肝转移灶内的WNT11表达水平均高于原发灶，AFF3表达水平则低于原发灶。WNT11表达水平与肝转移灶患者不良预后和CD8+T细胞浸润相关从以上数据来看，WNT11及下游被它在转录水平调控的AFF3确实对肝转移灶免疫浸润有重要影响。研究者们又将敲低WNT11表达的癌细胞注射至小鼠体内，证实癌细胞形成肝转移灶的能力显著减弱，转移灶内CD8+T细胞浸润也相应增多，对PD-1抑制剂治疗应答更好，但前提都是小鼠免疫系统健全，说明WNT11的调控发生在肿瘤免疫微环境层面。敲低癌细胞WNT11表达后，肿瘤微环境内变化最明显的免疫细胞有两种，一种就是浸润增多的CD8+T细胞，另一种则是以表达CD206为特征的免疫抑制性巨噬细胞，这对应了表达WNT11癌细胞调控CD8+T细胞的直接和间接途径，而在两条途径中率先响应WNT11的，都是非经典WNT信号通路中的钙离子/钙调蛋白依赖激酶II（CaMKII）。敲低癌细胞WNT11表达，会影响瘤内CD8+T细胞和CD206+免疫抑制性巨噬细胞数量先说直接途径：WNT11激活CaMKII会抑制AFF3表达，也是前面提到WNT11和AFF3二者表达水平负相关的原因，而AFF3表达的下调则会降低CXCL10、CCL4两种调控CD8+T细胞激活和抗肿瘤免疫功能的趋化因子编码基因表达，使CD8+T细胞无法有效抑癌。而在间接途径上，WNT11则会激活CaMKII/NF-κB通路来上调细胞因子IL17D表达水平，进而通过IL17D与其受体CD93信号轴，调控巨噬细胞向免疫抑制性M2表型极化。这样“两头堵”之下，WNT11就帮助肝转移灶癌细胞实现了免疫逃逸，PD-1抑制剂治疗的效果也大打折扣，而使用在研的CaMKII拮抗剂即可逆转WNT11的不利影响，与免疫治疗实现协同增效。最后研究者们也确认，接受免疫治疗的结直肠癌肝转移患者外周血WNT11水平与疗效显著相关，未来或可通过无创检测WNT11提早预测疗效、指导治疗。使用在研CaMKII拮抗剂的效果疗效及研究发现汇总参考文献：[1]Jiang W, Guan B, Sun H, et al. WNT11 Promotes immune evasion and resistance to Anti-PD-1 therapy in liver metastasis[J]. Nature Communications, 2025, 16: 1429.[2]Luke J J, Bao R, Sweis R F, et al. WNT/β-catenin pathway activation correlates with immune exclusion across human cancers[J]. Clinical Cancer Research, 2019, 25(10): 3074-3083.[3]Yang S, Qian L, Li Z, et al. Integrated multi-omics landscape of liver metastases[J]. Gastroenterology, 2023, 164(3): 407-423. e17.本文作者丨谭硕