文献分享 | Cell重磅发现一种免疫途径，细胞外基质作为一种“警报器”，调控线粒体稳态

2024年6月27日，加州大学伯克利分校，霍华德·休斯医学研究所的研究人员在Cell杂志发表一篇题为The extracellular matrix integrates mitochondrial homeostasis的研究文章。

该研究发现，ECM的重塑，尤其是HA水平的变化，以一种进化保守的方式改变线粒体稳态。机制上，ECM重塑可触发TGF-β反应，并诱导线粒体分裂和线粒体未折叠蛋白反应（UPRMT)。此外，研究者还发现ECM重塑通过增强线粒体应激反应促进动物对病原体的防御。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009286742400638X

TMEM2 蛋白介导的ECM重塑可以改变线粒体功能

研究人员利用遗传手段对人源成纤维细胞（一种产生和分泌大量ECM成分的细胞）的胞外基质进行了调节，包括TMEM2的过表达（TMEM2-OE）或敲除（TMEM2-KO）。研究者发现，TMEM2的过表达或敲除足以减少或增加ECM中HA的数量。

为了评估TMEM2诱导的ECM重塑如何影响细胞稳态，研究人员进行了一系列应激抵抗性测试，发现，TMEM2过表达的细胞对线粒体应激具有更高的敏感性，而TMEM2敲除的细胞则显示出更强的线粒体应激抗性。

进一步的线粒体表型分析揭示，TMEM2介导的胞外基质降解可导致线粒体分裂增加、活性氧增加、呼吸率显著降低等变化。

为了测试胞外基质-胞内线粒体通讯的现象在物种间是保守的，研究者在秀丽隐杆线虫中异位过表达人类TMEM2（hTMEM2），并将其转录组与野生型动物进行了比较。结果显示，hTMEM2在秀丽隐杆线虫中诱导了类似的线粒体功能下降以及线粒体应激反应，这表明ECM-线粒体通信的现象可能早在进化早期就已出现。

TMEM2通过TGF-β-SMAD信号通路调节线粒体稳态

接下来，研究者探究了这一通讯现象的分子机制。

为了揭示ECM的变化如何在细胞内感知从而改变线粒体的形式和功能，研究者对在质膜上编码的2073个基因进行了CRISPR-KO筛选，该文库包括ECM纤维成分、结合或调节ECM纤维的蛋白聚糖、细胞外环境信号转导的细胞表面受体等。

筛选结果显示，TGF-β受体的两个亚单位TGFBR1和TGFBR2基因的敲除可以改善TMEM2过表达细胞对线粒体应激的敏感性。这表明TGF-β信号通路在ECM重塑导致线粒体重塑的过程中发挥重要作用。

令人意外的是，研究人员在TMEM2-OE的CRISPR-KO筛选中没有发现整合素或HA信号通路，这表明，TMEM2在ECM中诱导的HA重塑不通过整合素或HA结合蛋白发出的信号调节线粒体稳态。

TGF-β配体超家族由超过30个成员组成。为了确定哪个TGF-β配体在响应ECM改变时调节线粒体稳态，我们分析了BJ成纤维细胞的转录组。TGFB1在BJ成纤维细胞中表达最丰富的TGF-β配体基因，而TGFB2、INHBA、BMP1、BMP4、GDF11和GDF15的表达水平较低。

TGF-β配体（TGF-β1）的处理可以直接降低细胞对线粒体应激的耐受性，并出现ROS产生增加、线粒体呼吸功能减弱等反应，这可能是为了恢复线粒体稳态。

TGF-β1和TGF-β2都可以通过TGFBR1/2信号通路调节线粒体稳态，这表明TGF-β配体在ECM与线粒体之间的通信中起着重要作用。

TGFBR下游是经典的SMAD信号通路。敲除SMAD2/3/4转录因子复合体的每个成员足以改善TMEM2过表达细胞对线粒体应激的敏感性，这表明 SMAD 信号通路在TMEM2诱导的线粒体应激中起着关键作用。

为了测试是否透明质酸酶诱导的ECM重塑可以激活SMAD信号通路，研究人员用外源性透明质酸酶处理野生型细胞，发现透明质酸酶处理足以激活SMAD信号通路。

此外，向野生型细胞补充高分子量透明质酸抑制了基础和TGF-β1诱导的SMAD-荧光素酶活性，这一观察结果表明，高分子量透明质酸可能干扰TGF-β的激活，而TMEM2可能消化ECM中的高分子量透明质酸以消除这种抑制。

进一步的研究发现，在TMEM2-OE细胞中，TGF-β-SMAD信号通路可直接促进线粒体分裂基因的表达，从而调节线粒体稳态，包括增加线粒体分裂、降低线粒体呼吸和增加线粒体氧化应激。

综上所述，TMEM2诱导的ECM重塑通过TGF-β-TGFBR-SMAD信号通路来调节线粒体稳态。

TMEM2 通过线粒体应激信号增强免疫力

最后，作者对这条新鉴定分子通路的生理学意义进行了探究。

转录组数据分析显示，大多数抗病毒反应基因，包括I型干扰素相关免疫基因，在TMEM2-OE细胞中显著上调，这可以通过敲除TGFBR1来消除。

TMEM2-OE和TGF-β1处理均显著增加了细胞质中的mtDNA量，这表明TMEM2/TGF-β1诱导的线粒体应激与线粒体膜完整性的降低和mtDNA的适度释放有关，这反过来可能激活细胞中的I型干扰素防御信号通路。

为了进一步在体内生理条件下验证这一免疫激活现象，作者使用线虫细菌感染作为模型，发现胞外基质损伤信号可以通过对线粒体应激反应的激活，来增强线虫的免疫反应并提供抗感染保护。

综上，该研究团队通过各种类型的应激实验进行测试，发现线粒体直接受 TMEM2 信号的调节。具体来说，TMEM2诱导的ECM重塑可导致人类成纤维细胞和秀丽隐杆线虫线粒体分裂和功能下降，介导这一过程的信号通路为 TGF-β-SMAD。

更加有意思的是，这种ECM-线粒体通信机制可能最初是一种原始的免疫反应，细胞可以通过对胞外基质损伤的感知来激发线粒体应激及免疫反应，从而实现对损伤的修复和对病原体的抵抗。

因为这条分子通路的激活并不依赖于对特异病原体信号的直接识别，所以该发现可能在生物体内具有更加广泛的调节功能，参与影响个体发育、损伤修复、感染免疫以及衰老等诸多生理过程。

这项研究为理解细胞应激反应和免疫反应提供了新的视角，并为开发新的免疫疗法提供了新的思路。