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揭開樹突細胞遷移的未解之謎:細胞感知型變機制

免疫細胞的分化與遷移是個複雜且精密的過程,在成人體內,免疫細胞數量約為 1.8×1012,因此如何調控不同的免疫細胞遷移至適當的組織或器官執行其相對應的功能也成為免疫學家研究的主要問題之一 [1]。樹突細胞(dendritic  cells, DCs)身為抗原呈現細胞(antigen-presenting cells; APCs)的一種,其數量雖相較於淋巴球或中性球來得少許多 [1],但其在抗原呈現、啟動後天免疫反應、調控癌症免疫皆具有重要功能,使其在自體免疫疾病和癌症免疫療法等應用上具有廣大的潛力 [2]。本篇小新聞將以樹突細胞遷移的調控為中心,介紹由法國居里研究所於今(2024)年六月發表於 Nature Immunology 的研究。

居里研究所的團隊 2022 年發表於 Immunity 的研究指出在腸道內的維生素 A 衍生物的視黃酸(food-derived retinoic acid; ATRA)可以促進 DCs 前驅細胞分化,並增加細胞中肌凝蛋白的收縮性(actomyosin contractibility),使其得以遷移至腸道的上皮組織以執行其功能,顯示外在因子不但能促進樹突細胞的分化,並可透過調控樹突細胞的細胞骨架得以進行遷移 [3]。

細胞的貼附(adhesion)與遷移(migration)受到多種因素控制,其中之一便為細胞骨架(cytoskeleton)進行連續的重組與收縮(remodeling and contraction),導致細胞型態發生變化(deformation)。而先前研究已指出樹突細胞的其中一種遷移方式是透過 ARP2/3 蛋白質複合物聚合細胞骨架,達到擠壓細胞核的作用,這樣的壓縮力可以短暫改變細胞核型態並連帶影響細胞骨架的結構,使其得以遷移(圖一) [4-5]。

圖一:Arp2/3 蛋白質複合物透過擠壓細胞核達到細胞短暫變形的目的。 圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.ceb.2020.08.012

 

為了更深入剖析樹突細胞遷移的機制,居里研究所的研究團隊首先以外力對細胞進行空間限制處理(cell confinement)達到細胞形變的目的。團隊在先前已證實這樣的空間限制處理會活化細胞內的細胞質磷脂酶 2(cytosolic phospholipase 2, cPLA2)、促進肌凝蛋白的收縮、增加樹突細胞的遷移能力 [6]。本篇研究中,空間限制處理使 CCR7 蛋白(為樹突細胞遷移的生物標記之一)的表現量上升,顯示此處理使樹突細胞遷移能力增加(圖二)。

圖二:空間限制處理增加 CCR7 的蛋白表現。其中 CCR7 蛋白與綠色螢光蛋白同步表現,因此 CCR7 呈現綠色。 圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41590-024-01856-3

由於先前研究結果顯示 cPLA2 與細胞骨架蛋白皆可能與樹突細胞的遷移相關,團隊透過 cPLA2 與 ARP2/3 的抑制劑實驗對樹突細胞的遷移特徵進行分析,結果顯示 cPLA2 的抑制劑降低了 CCR7 的表現(圖三a),且 ARP2/3 抑制劑不但會降低 CCR7 表現(圖三b),同時也減少肌動蛋白 actin 以雲狀結構聚集在細胞核附近,並導致細胞核發生形變的情況降低(圖三c)。此外,團隊也證實 ARP2/3 會促進  cPLA2 在細胞核內的累積,顯示 ARP2/3 決定了樹突細胞針對空間限制的應對方式:當受到外在因子刺激(例如:外力導致的型變),ARP2/3 活化並導致 cPLA2 累積在細胞核內,且使肌動蛋白聚集在細胞核附近導致形變,同時增加 CCR7 的蛋白表現。

圖三:cPLA2 與 ARP2/3 共同促進 CCR7 表現與樹突細胞的細胞核形變。(a) cPLA2 抑制劑 AACOF3 降低 CCR7 表現。 (b) ARP2/3 抑制劑 CK666 減少 CCR7 表現。(c) CK666 減少肌動蛋白 actin 聚集於細胞核。 圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41590-024-01856-3

在研究的最後,團隊針對上述發現以老鼠模型與序列分析進行驗證,由於傳統樹突細胞分成兩型:cDC1 以及 cDC2,且 cDC2 在穩定狀態的遷移速度較 cDC1 快,因此團隊針對 cDC2 從皮膚遷移至淋巴結的過程進行實驗。結果顯示 ARP2/3 的活性會受到 WASp 以及 Arpin 調控,進而活化 cPLA2 , cPLA2 進一步透過 IKKβ 與 NF-κB 調控下游 CCR7 的轉錄,最終結果導向 cDC2 從皮膚遷移至淋巴結的數量增加。

上述的實驗結果使團隊認為樹突細胞可以透過感知細胞的形變,促成一連串蛋白的協同合作,使樹突細胞得以進行遷移,其中 ARP2/3–cPLA2 為目前為止第一個被發現與樹突細胞遷移有關的機械感知(mechano-sensing)路徑。然而這些感知路徑的分子是如何參與樹突細胞的恆定或其他功能仍是待解之謎,未來針對樹突細胞的更多研究將有助於釐清其在生物體內的調控機制,並帶給疾病治療發展更多的應用價值。

 

延伸閱讀:細胞生物物理主題月

 

Main Article: Alraies, Z., Rivera, C.A., Delgado, MG. et al. Cell shape sensing licenses dendritic cells for homeostatic migration to lymph nodes. Nat Immunol (2024). https://doi.org/10.1038/s41590-024-01856-3

 

參考文獻:

  1. Sender, R., Weiss, Y., Navon, Y. et al. The total mass, number, and distribution of immune cells in the human body. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 120(44), e2308511120. (2023) https://doi.org/10.1073/pnas.2308511120
  2. Wang, Y., Xiang, Y., Xin, V.W. et al. Dendritic cell biology and its role in tumor immunotherapy. J Hematol Oncol 13, 107 (2020). https://doi.org/10.1186/s13045-020-00939-6
  3. Rivera, C. A., Randrian, V., Richer, W. et al . Epithelial colonization by gut dendritic cells promotes their functional diversification. Immunity, 55(1), 129-144. (2022) https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.11.008
  4. Thiam, HR., Vargas, P., Carpi, N. et al. Perinuclear Arp2/3-driven actin polymerization enables nuclear deformation to facilitate cell migration through complex environments. Nat Commun 7, 10997 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms10997
  5. Papalazarou, V., & Machesky, L. M.  The cell pushes back: The Arp2/3 complex is a key orchestrator of cellular responses to environmental forces. Current opinion in cell biology, 68, 37-44. (2021) https://doi.org/10.1016/j.ceb.2020.08.012
  6. Lomakin, A. J. et al. The nucleus acts as a ruler tailoring cell responses to spatial constraints. Science 370, eaba2894 (2020). http://doi.org/10.1126/science.aba2894

 

撰文|蕭皓文
審稿|葉國掄

About the author

蕭皓文

蕭皓文

日本東京大學醫科研究所博士候選人,研究方向為DNA複製與基因組穩定性在不同細胞類型的功能性角色。除了研究外,也特別喜歡生醫科學寫作及科普知識分享,期待在 Invesitgator 認識到各種不同研究背景的夥伴們,並一起為科學新知推廣貢獻一己之力。

同時在日本台灣生技協會 JTBA 擔任會長,期望促進在日生醫領域台灣人的交流,成為台灣與日本間的橋樑。

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