首在單細(xì)胞水平追蹤癌細(xì)胞和T細(xì)胞間線粒體傳輸

線粒體參與了真核細(xì)胞幾乎所有的代謝活動 (例如能量生成，信號傳導(dǎo)以及細(xì)胞程序性死亡等)，是哺乳動物在亞細(xì)胞層面重要的“發(fā)動機(jī)”。線粒體可以通過細(xì)微的納米管道在不同譜系的細(xì)胞間流動從而達(dá)到組織修復(fù)的目的， 這一生物學(xué)現(xiàn)象早在2006年被觀測確認(rèn)。

首現(xiàn)，癌細(xì)胞通過納米管竊取T細(xì)胞的線粒體，在增強(qiáng)自身的同時，還削弱了免疫細(xì)胞的活性，從而戰(zhàn)勝免疫系統(tǒng)，實現(xiàn)免疫逃逸。該發(fā)現(xiàn)為腫瘤的免疫逃逸以及T細(xì)胞的功能失調(diào)研究提供了全新的見解, 有很大希望成為新的癌癥免疫治療方向。

進(jìn)一步的研究則需要在實驗動物體內(nèi)乃至真實癌癥患者的腫瘤組織中進(jìn)行，然而已有的生物學(xué)技術(shù)無法做到在體內(nèi)追蹤線粒體的運動軌跡。目前一個亟待解決的難點在于：沒有現(xiàn)實可行的方法能在真實人類腫瘤中對癌細(xì)胞與T細(xì)胞間的線粒體傳輸進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)可藥物靶向的關(guān)鍵基因和通路。

該研究不僅證實了T細(xì)胞與癌細(xì)胞間線粒體傳輸在不同癌癥中的廣泛存在， 更重要的是，提出了基于貝葉斯層次模型與統(tǒng)計反褶積的機(jī)器學(xué)習(xí)方法——MERCI，實現(xiàn)了在單細(xì)胞分辨率下追蹤不同細(xì)胞間線粒體傳輸?shù)闹匾δ堋?/span>

研究團(tuán)隊首先通過熒光標(biāo)記線粒體的Kras^G12D/p53^ko(KP)癌細(xì)胞與CD8⁺ T細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)，在不同癌癥中重現(xiàn)并證實了上述 Nature Nanotechnology 論文的 觀測結(jié)果，即隨著共培養(yǎng)時間延長，T細(xì)胞中的線粒體逐漸流失并轉(zhuǎn)移到癌癥細(xì)胞中。之后研究團(tuán)隊在不同培養(yǎng)條件和不同癌癥細(xì)胞系中反復(fù)確認(rèn)了此生物學(xué)過程的可重復(fù)性，并著手產(chǎn)生了用于算法開發(fā)的金標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集一共包括三套單細(xì)胞RNA-seq樣本: 共培養(yǎng)的receiver癌癥細(xì)胞 (case 組), 單獨培養(yǎng)的non-receiver 癌癥細(xì)胞以及donor T細(xì)胞 （control組）。

在產(chǎn)生的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集中，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)癌癥細(xì)胞在接收到外源性的T細(xì)胞線粒體后，其本身的mtDNA變異圖譜以及線粒體基因轉(zhuǎn)錄模式會發(fā)生改變，主要變化為：1）T細(xì)胞特異或者富集的mtDNA突變會更多出現(xiàn)在receiver癌細(xì)胞中；2）receiver癌細(xì)胞的線粒體基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式與T細(xì)胞相似。這兩點重要發(fā)現(xiàn)表明了在scRNA-seq數(shù)據(jù)中捕獲細(xì)胞間的線粒體傳輸信號完全可行，為MERCI算法的開發(fā)提供了重要的事實基礎(chǔ)和理論支持。MERCI利用秩轉(zhuǎn)化的策略整合了單細(xì)胞水平的mtDNA突變譜以及線粒體基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜，從而準(zhǔn)確預(yù)測劫持了T細(xì)胞線粒體的receiver 癌細(xì)胞并估計每個單細(xì)胞中外來線粒體的相對豐度。

為了無偏性的評測MERCI算法，研究團(tuán)隊額外產(chǎn)生了獨立的scRNA-seq以及mtscATAC-seq數(shù)據(jù)集并證實了MERCI算法準(zhǔn)確性，ROC曲線AUC值根據(jù)不同的條件和參數(shù)在 0.7~0.9之間浮動，遠(yuǎn)高于隨機(jī)期望。研究團(tuán)隊將MERCI應(yīng)用于真實人類癌癥患者的單細(xì)胞數(shù)據(jù)中，在不同癌癥類型的多個樣本中確認(rèn)了腫瘤細(xì)胞劫持T細(xì)胞線粒體的生物學(xué)現(xiàn)象，并揭示了TNFα通路與該過程中細(xì)胞間的納米管行成高度相關(guān)。通過MERCI算法，研究團(tuán)隊首實現(xiàn)了線粒體轉(zhuǎn)移在真實腫瘤樣本中的體內(nèi)追蹤研究。值得指出的是，盡管在本研究中，研究團(tuán)隊只將MERCI用于線粒體轉(zhuǎn)移在T細(xì)胞和癌細(xì)胞之間的追蹤， 原則上MERCI可應(yīng)用于任意兩種不同的細(xì)胞類型。當(dāng)單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)質(zhì)量合格時 （單細(xì)胞測序讀長的線粒體覆蓋度 > 1000） ，MERCI的預(yù)測準(zhǔn)確度具有較強(qiáng)的魯棒性。因此MERCI有希望作為一個通用方法以解析復(fù)雜細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中線粒體的流動問題并幫助推動癌癥免疫治療的發(fā)展。