肿瘤微环境中T细胞效应功能的丧失是免疫治疗失败的主要原因之一。代谢适应对T细胞功能和命运具有重要的调控作用。线粒体能量代谢受到多种线粒体行为的影响，包括线粒体融合和线粒体-内质网耦连，而目前人们对肿瘤浸润CD8+T细胞（TIL）线粒体行为的特性和意义知之甚少。
中山大学肿瘤防治中心、华南恶性肿瘤防治全国重点实验室高嵩研究员课题组致力于研究线粒体融合机制及其在肿瘤侵袭转移中的意义。在以往的工作中解析了线粒体外膜融合蛋白MFN1和MFN2片段的结构和作用机制。2023年9月22日，高嵩课题组联合泌尿外科韩辉主任医师，以及北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)白凡教授团队在Science Immunology期刊上在线发表了题为“MFN2- SERCA2介导的线粒体-内质网耦联促进肿瘤浸润CD8+T细胞的代谢适应和效应功能”的研究论文（点击文末阅读原文查看），揭示了MFN2介导的线粒体-内质网耦连在CD8+TIL中的重要意义，并提出通过提升MFN2水平改善肿瘤免疫治疗效果的新策略。
研究者首先在中山大学肿瘤防治中心肾透明细胞癌（ccRCC）队列和公共数据库中发现CD8+TIL中MFN2高表达的患者预后更好。通过单细胞测序发现MFN2在CD8+T细胞激活后表达上调，并与更强的效应功能和线粒体氧化磷酸化能力相关。为了深入验证MFN2对T细胞抗肿瘤功能的影响，研究者构建了T细胞中特异性敲除MFN2的条件性敲除小鼠，发现MFN2缺失会导致T细胞在肿瘤微环境中的效应功能、增殖和存活能力受损。进一步通过转录组测序和肿瘤细胞生物学实验发现：MFN2敲除导致的CD8+T细胞线粒体代谢功能下调是导致其抗肿瘤功能受损的重要原因。
MFN2的生物学功能包括两方面：介导线粒体融合以及线粒体-内质网耦连，二者均可直接影响线粒体代谢。根据超分辨荧光共聚焦显微镜和透射电镜结果，有意思的是：Mfn2-/- CD8+TIL的线粒体融合并未受明显影响，而线粒体-内质网耦连水平则显著下降。与此相应的是，Mfn2-/- CD8+TIL中线粒体Ca2+水平明显降低。这些结果初步表明，MFN2介导的线粒体-内质网耦连及其介导的线粒体Ca2+内流对于CD8+TIL的线粒体代谢和效应功能起着重要作用。研究者进一步探究了MFN2经典的促线粒体融合功能在CD8+TIL中不占主导作用的原因。实验发现TIL活化后，MFN2与线粒体分裂蛋白DRP1同时上调，后者可能抵消了MFN2上调介导的线粒体融合效果。因此，CD8+TIL主要依赖MFN2介导的线粒体-内质网耦连来维持良好的有氧代谢功能。
MFN2介导线粒体-内质网耦连的机制目前尚有争议。既往研究指出除了经典的线粒体外膜定位外，MFN2还可能存在内质网定位，进而通过同源互作介导该过程。而在本研究中，研究者通过细胞组分分析实验发现T细胞内质网上并无MFN2。研究者纯化出全长MFN2蛋白，与T细胞裂解物共孵育后通过LC-MS/MS实验鉴定了潜在与MFN2互作的内质网蛋白—SERCA2，随后应用多种实验手段证实了MFN2和SERCA2的相互作用。
线粒体中适量的Ca2+可以促进有氧代谢，而Ca2+过量则会引发细胞凋亡。通过体内外酶活和重组脂质体等实验，研究者发现，MFN2与SERCA2的互作可刺激SERCA2的Ca2+-ATP酶活性，从而将线粒体-内质网连接处的Ca2+回收入内质网。为进一步证实上述过程，研究者使用线粒体-内质网连接肽在T细胞中模拟持续的线粒体-内质网耦连。相比野生型细胞，Mfn2-/- CD8+T细胞在连接肽的介入下发生了显著的线粒体Ca2+过载，凋亡增加，抗肿瘤功能下降。因此，MFN2-SERCA2互作体现出双重作用：一方面，二者的物理互作促进线粒体-内质网的耦联，另一方面，MFN2对SERCA2酶活的调节建立了一个Ca2+线粒体转运的缓冲系统，避免了线粒体-内质网耦联情况下线粒体内Ca2+的过载，从而维持线粒体钙稳态，防止CD8+T细胞凋亡。随后，研究者通过一系列动物实验深入论证了MFN2-SERCA2互作介导的线粒体-内质网耦连对肿瘤微环境中CD8+T细胞效应功能的重要意义。
最后，研究者探索了上述生物学机制的肿瘤治疗价值。研究者发现肿瘤微环境可抑制CD8+T细胞的MFN2表达、线粒体-内质网耦连、生存、线粒体代谢和效应功能；过表达MFN2则可增强CD8+T细胞对肿瘤微环境的适应能力。利用抗原特异性CD8+T细胞回输重建免疫的肾透明细胞癌PDX小鼠、OT-I小鼠和C57BL/6小鼠模型，研究者发现提升T细胞中MFN2的水平可显著增强其抗肿瘤功能，并提升PD-1抗体治疗的效果。
综上所述，本研究通过临床标本验证、单细胞测序、转基因小鼠模型、细胞生物学和生物化学等多种技术手段，揭示了MFN2/SERCA2介导线粒体-内质网耦连的机制，及其对CD8+T细胞在肿瘤微环境中代谢适应和抗肿瘤效应功能的关键作用。靶向线粒体-内质网耦连这一细胞器互作事件是改善现有免疫疗法的一种有意义的途径。这些研究结果有助于我们更好地理解肿瘤免疫过程，并为癌症患者的治疗提供新的策略。
中山大学肿瘤防治中心、华南恶性肿瘤防治全国重点实验室高嵩研究员和泌尿外科韩辉主任医师，北京大学BIOPIC白凡教授为论文的共同通讯作者。中山大学肿瘤防治中心杨杰锋博士、罗丽博士，北京大学生物医学前沿创新中心邢旭东博士，中山大学附属第一医院研究生周昕炜为本文并列第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划等项目的支持。