来源：生物探索
在对抗肿瘤和慢性病毒感染的漫长战役中，人体免疫系统的“主力军”——CD8+ T细胞，常常会陷入一种被称为“耗竭” (T cell exhaustion) 的功能瘫痪状态。长久以来，我们知道这种耗竭与肿瘤微环境中的极端代谢压力密切相关，尤其是T细胞内部线粒体的损伤与积聚。然而，破损的线粒体究竟是如何一步步将T细胞推向万劫不复的耗竭深渊的？
3月18日，《Nature》的研究报道“Proteasome-guided haem signalling axis contributes to T cell exhaustion”，研究发现，当T细胞内受损的线粒体无法被正常清除时，细胞会启动一种无奈的“自救”机制。而正是这种自救产生的一种特殊代谢副产物，篡改了细胞的核心基因组指令，最终彻底锁死了T细胞的抗癌潜能。
缺氧战场上的能量危机：线粒体如何成为“拖油瓶”？
当CD8+ T细胞深入肿瘤微环境 (Tumour Microenvironment, TME) 时，它们面临的是一个极度恶劣的战场：缺氧、葡萄糖极度匮乏，且充斥着各种免疫抑制性代谢物。为了应对这种生物能量的需求缺口，肿瘤浸润淋巴细胞 (Tumour-infiltrating lymphocytes, TILs) 必须强行改变自身的代谢程序。
在这个过程中，一个致命的问题出现了。正常情况下，细胞会通过线粒体自噬 (Mitophagy) 清除掉那些因高强度运作而受损、发生去极化 (Depolarized) 的线粒体。但在代谢危机的压迫下，肿瘤特异性CD8+ TILs的线粒体自噬功能出现严重衰退。大量失去正常膜电位、无法高效产生能量的废弃线粒体开始在细胞内堆积。
这些去极化的线粒体并不仅仅是占据空间的“惰性垃圾”。它们内部的蛋白质大分子依然保持着生化活性，如果不加以控制，会对细胞造成严重的毒性损害。此时，处于祖细胞耗竭状态 (Progenitor exhausted T, TPEX) 的T细胞，正在向终末耗竭状态 (Terminally exhausted T, TTEX) 不可逆转地滑落。为了在这种极端压力下维持最基本的细胞稳态，T细胞必须寻找一种替代方案，来处理这些堆积如山的线粒体废墟。
激进的内部清理：蛋白酶体接管“废墟拆解”
既然专门回收线粒体的“垃圾车”（线粒体自噬）已经瘫痪，T细胞做出了一个激进的决定：动用细胞内普遍存在的蛋白质降解机器——蛋白酶体 (Proteasome)，来直接拆解这些破损线粒体中的蛋白质。
研究人员通过对公开的单细胞RNA测序 (scRNA-seq) 数据集进行深度挖掘，发现了一个引人注目的现象。在黑色素瘤患者的CD8+ TILs中，与祖细胞耗竭T细胞相比，终末耗竭T细胞内部与蛋白质降解（包括蛋白酶体和蛋白质泛素化调节）相关的基因通路被显著激活。为了量化这一特征，研究人员基于全局蛋白酶体相关基因的表达水平，计算出了一个“蛋白酶体评分” (Proteasome score)。数据清晰地显示，随着T细胞耗竭程度的加深，其蛋白酶体评分呈现出进行性升高的趋势。这一现象不仅存在于黑色素瘤中，在头颈部鳞状细胞癌和非小细胞肺癌的TILs中也表现出高度的一致性。
为了进一步在蛋白质层面证实这一点，研究人员在体外诱导培养了人类的多种T细胞亚群，包括效应T细胞 (Teff)、记忆T细胞 (Tmem)、祖细胞耗竭T细胞 (TPEX) 和终末耗竭T细胞 (TTEX)。蛋白质组学分析表明，终末耗竭T细胞大幅削减了与三羧酸循环和线粒体ATP合成相关的蛋白表达，这符合其线粒体功能丧失的特征。但与此同时，它们显著上调了组成型蛋白酶体核心亚基（如PSMB5、PSMB6、PSMB7、PSME3和PSME4）的表达。使用特异性荧光探针检测也证实，终末耗竭T细胞的实际蛋白酶体活性确实显著高于祖细胞耗竭T细胞。
然而，蛋白酶体的活性增强是全局性的，还是具有针对性的？为了回答这个问题，研究人员巧妙地设计了一套荧光追踪系统。他们将mCherry红色荧光蛋白分别与定位在细胞质 (Cyto-degron) 或线粒体 (Mito-degron) 的降解标签融合，并导入人类T细胞中。随后，使用放线菌酮 (Cycloheximide) 阻断细胞内所有新蛋白质的合成，以此来纯粹地观察已有荧光蛋白的降解速度。
实验结果令人震惊：在所有T细胞亚群中，细胞质荧光蛋白的降解速度大体相当；但在终末耗竭T细胞中，定位在线粒体的荧光蛋白降解速度出现了断崖式的加快。这表明，终末耗竭T细胞并非在盲目地降解所有蛋白质，而是极其精准地、选择性地将“枪口”对准了线粒体蛋白质。
锁定目标的狙击手：泛素化标记与CBLB的隐秘操作
蛋白酶体并不会凭空识别需要降解的蛋白质，它需要一个明确的“死亡印记”——泛素化 (Ubiquitination) 标记。
研究人员使用蛋白酶体抑制剂MG132处理不同的T细胞亚群，随后富集了所有被泛素化标记的蛋白质进行质谱分析。数据表明，与效应T细胞相比，记忆T细胞主要积聚了泛素化的细胞质蛋白；而终末耗竭T细胞则呈现出完全不同的图景——它们内部积压了大量被泛素化标记的线粒体蛋白质，特别是那些参与氨基酸和核苷酸代谢的线粒体蛋白。
究竟是谁在为这些线粒体蛋白打上“死亡印记”？通过对比不同T细胞亚群中E3泛素连接酶的表达水平，研究人员锁定了一个关键嫌疑人：CBLB。这是一种此前被报道过与调节线粒体电位有关的连接酶，它在祖细胞耗竭和终末耗竭T细胞中均出现了显著的上调。
为了验证CBLB的“狙击手”身份，研究人员利用基因组编辑技术在人类T细胞中敲除了CBLB基因。奇迹发生了：在缺失CBLB的终末耗竭T细胞中，原本被快速降解的线粒体荧光蛋白 (Mito-degron-mCherry) 突然稳定了下来，降解速率大幅减缓；而细胞质荧光蛋白的降解依然不受任何影响。
这进一步证实了，当T细胞面临受损线粒体积聚的绝境时，会通过上调CBLB这一特定的泛素连接酶，引导蛋白酶体对线粒体蛋白进行定向爆破，以此来勉强维持细胞内部的稳态。
致命的副产物：游离血红素 (Regulatory Haem) 的决堤
清理废墟固然可以暂时缓解空间和毒性压力，但在生物体内部，打破旧有结构的代价往往是释放出难以控制的内部物质。
在线粒体的电子传递链复合体中，存在着大量的血红素蛋白 (Hemoproteins)。当蛋白酶体大规模降解这些线粒体蛋白时，必然会导致一个严重的后果：结合在这些蛋白质上的游离血红素 (Regulatory Haem, RH) 被大量释放到细胞质中。
研究人员使用一种基于辣根过氧化物酶 (HRP) 的灵敏检测方法，对小鼠和人类T细胞内的游离血红素浓度进行了精确定量。他们利用线粒体膜电位探针 (MDR) 和线粒体质量探针 (MG)，将T细胞区分出含有健康线粒体和积累了去极化受损线粒体的两类亚群。
定量数据显示，积累了受损线粒体的T细胞内部，游离血红素的浓度出现了惊人的飙升。而在加入蛋白酶体抑制剂MG132阻止蛋白质降解后，这种血红素的异常积累便被有效遏制。同样，在经过反复抗原刺激而走向耗竭的人类T细胞中，以及从黑色素瘤小鼠体内分离出的TILs中，游离血红素的水平都随着耗竭程度的加深而呈进行性上升。此外，实体瘤间质组织液中的血红素浓度远高于外周血清，这意味着处于肿瘤深处的T细胞不仅内部在大量释放血红素，外部也浸泡在血红素的汪洋之中。
这种异常积累的游离血红素，仅仅是无害的代谢垃圾吗？为了探究其直接影响，研究人员使用血红素类似物 (Haemin) 直接处理正在接受反复刺激的T细胞。结果显示，高浓度的血红素并没有影响T细胞受体 (TCR) 信号的初步传递，但却造成了毁灭性的长期后果：T细胞的增殖能力和存活率大幅下降；代表免疫杀伤力的细胞因子（如IFNγ和TNF）的分泌被显著抑制；而代表耗竭深度的抑制性受体（如PD-1和TIM3）的表达则急剧攀升。同时，对于维持T细胞干性 (Stemness) 至关重要的核心转录因子TCF-1，以及记忆相关标记物CD62L和CD44的表达均遭到严重削弱。
从转录组学特征上看，血红素直接诱导了一种典型的终末耗竭基因表达谱。通过染色质可及性测序 (ATAC-seq) 结合转录组数据进行的深度算法分析揭示，血红素大范围地改变了T细胞内核染色质的开放状态，大幅扰乱了主导耗竭分化的多个核心转录因子（如BACH2、BATF、RUNX3、PRDM1）的活性。
这些数据指向了一个明确的结论：由线粒体蛋白降解所释放出的异常血红素，并不是无辜的旁观者，它正是主动推动T细胞走向终末耗竭、摧毁其干性潜能的直接“幕后黑手”。
核心指令被篡改：BACH2与BLIMP1的权力交接
那么，游离血红素究竟是如何在分子层面“发号施令”，改变整个细胞命运的呢？为了寻找直接受制于血红素的分子开关，研究人员进行了严格的交叉对比。在所有候选者中，只有一个名字赫然出现在了所有数据集的交集中心：转录因子BACH2。
BACH2在T细胞发育和分化中扮演着“踩刹车”的关键角色。它能够抑制那些促进终末分化的基因（如编码BLIMP1蛋白的Prdm1基因），从而帮助T细胞保留“干性”或记忆潜能，使其能够持久作战。早前的生化研究表明，血红素分子可以直接结合到BACH2蛋白上。这种物理结合会引起BACH2空间构象的扭曲，不仅剥夺了其结合DNA并抑制目标基因转录的能力，还会导致BACH2蛋白自身变得极不稳定并被降解。
在本次研究中，数据完美契合了这一理论模型。在积累了受损线粒体的T细胞中，BACH2的表达量断崖式下跌，而原本被其压制的终末分化驱动因子BLIMP1则随之暴涨。直接使用血红素处理T细胞，同样会导致BACH2减少和BLIMP1增加。这表明，从祖细胞耗竭向终末耗竭过渡的标志性事件——“BACH2下降、BLIMP1上升”，正是由游离血红素的涌入直接触发的。
为了获得最直接的证据，研究人员构建了一个特殊的BACH2突变体 (Bach2^MUT)。他们通过基因编辑，精准修改了BACH2蛋白上与血红素结合的氨基酸位点，使其彻底失去了感知和结合血红素的能力。在荧光素酶报告基因系统中，当环境中加入充足的血红素后，野生型BACH2迅速失活并被降解；而突变型Bach2^MUT却对血红素“免疫”，依然稳如泰山地保持着强大的转录抑制活性，并且其蛋白本身也维持着高度的稳定性。
当研究人员将这种对血红素“免疫”的Bach2^MUT导入小鼠体内的肿瘤浸润T细胞时，即便这些细胞依然身处充满血红素的肿瘤微环境中，它们依然能够顽强地抵抗终末耗竭。在肿瘤内部，表达Bach2^MUT的T细胞群保留了更高比例的祖细胞耗竭T细胞 (TPEX)，并且BLIMP1的表达被死死压制。
这证明了，游离血红素正是通过直接“解除”BACH2的武装，打破了BACH2-BLIMP1这一对抗性的转录调控平衡，从而强行改写了T细胞的命运指令。
阻断“毒药”入核：PGRMC2敲除挽救抗肿瘤活性
既然血红素与BACH2的结合是导致耗竭的直接原因，而作为转录因子的BACH2主要发挥作用的地点是在细胞核内。这就意味着，由细胞质蛋白酶体释放出的血红素，必须穿越核膜进入细胞核，才能完成这致命的一击。在细胞生物学中，血红素需要特定的“搬运工”——分子伴侣来进行跨区隔运输。PGRMC2正是这样一种被熟知的负责将血红素转运入细胞核的分子伴侣。
如果切断血红素进入细胞核的通道，能否挽救T细胞的命运？研究人员利用CRISPR-Cas9技术，在小鼠T细胞中特异性地敲除了Pgrmc2基因。结果令人振奋：与对照组相比，缺乏PGRMC2的T细胞在肿瘤内实现了更高频次的扩增和积聚，并且表现出了极强的多功能细胞因子分泌能力（IFNγ和TNF双阳性比例大幅增加）。这也伴随着细胞内核BACH2表达的恢复和BLIMP1表达的显著下调。
在更为严谨的条件敲除 (Pgrmc2^cKO) 小鼠模型中，采用Pgrmc2^cKO的T细胞进行过继性细胞转移治疗，显著延缓了小鼠黑色素瘤的生长速度，并大幅提高了小鼠的总体生存率。同样，将敲除PGRMC2的策略应用于靶向HER2的CAR-T细胞中，这些改造后的CAR-T细胞在面对实体瘤时，展现出了更为卓越的抗肿瘤清除能力。
尤为值得注意的是，阻断PGRMC2不仅挽救了T细胞的表型，还产生了一个意想不到的益处：缺乏PGRMC2的肿瘤浸润T细胞中，积累去极化线粒体的细胞比例显著降低。这提示，限制血红素进入细胞核，反过来改善了线粒体自身的健康状态（线粒体适应性, Mitochondrial fitness），形成了一个良性循环。
从基础走向临床：解码CAR-T疗法的复发迷局
这项发现如果仅仅停留在小鼠模型中，其价值无疑会大打折扣。研究人员随即将目光投向了当前医学界对抗血液系统恶性肿瘤的终极武器——嵌合抗原受体T细胞 (CAR-T) 疗法。
研究人员追踪分析了6名接受CD19 CAR-T治疗的B-ALL患者。临床数据显示，无论是获得持久完全缓解的患者，还是不幸快速复发的患者，他们外周血中CAR-T细胞的绝对扩增数量并没有显著差异。这说明，单纯的“数量”并不能决定疗效，“质量”才是关键。
通过对30,392个单细胞进行深度的单细胞RNA测序分析，研究人员发现了一个名为“Cytot-GZMB”的高细胞毒性亚群。这个亚群处于分化轨迹的最末端，拥有最高的“耗竭评分”。更为惊人的是，这个耗竭最严重的亚群，其“蛋白酶体评分”同样高居榜首。
当将单细胞数据与患者的临床结局进行关联时，在那些获得持久完全缓解的患者体内，起主导作用的是“记忆样”CAR-T细胞；而在快速复发的患者体内，大量聚集的正是那些蛋白酶体活性极高、深陷耗竭状态的Cytot-GZMB亚群。进一步检索包含94名B-ALL患者的公开数据集也证实：经历晚期复发或快速复发的患者，其CAR-T细胞产品在体外制备阶段就已经携带了令人担忧的高蛋白酶体特征。
这意味着，过高的蛋白酶体活性不仅是耗竭的伴随现象，更是预测CAR-T细胞疗法长期疗效的一个极为敏感的“生物标志物”。
老药新用扭转乾坤：硼替佐米 (Bortezomib) 重塑表观遗传景观
既然蛋白酶体的过度活跃是推动CAR-T细胞走向耗竭的罪魁祸首，那么，我们能否在体外制造CAR-T细胞的过程中，人为踩下蛋白酶体的“刹车”，从而赋予这些细胞更强大的抗耗竭“免疫力”呢？
研究人员引入了一种名为硼替佐米 (Bortezomib) 的药物。这是一种已获得美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准上市、临床上广泛用于治疗多发性骨髓瘤的蛋白酶体抑制剂。
在体外制备CD19 CAR-T细胞的关键阶段，研究人员仅仅使用极其微量（0.1 nM）的硼替佐米对其进行了短暂的预处理。随后，当这些CAR-T细胞在体外面对靶细胞的反复刺激时，奇迹出现了：相比于未经处理的对照组，经过硼替佐米预处理的CAR-T细胞群中，表达PD-1、TIM3和CD39等三重耗竭标志物的废弃细胞比例大幅缩减。体内实验中，接受硼替佐米预处理CAR-T治疗的小鼠，其体重能够长期维持稳定，并且总体生存期获得了极其显著的延长。
单细胞多组学数据揭示了一个深远的影响：硼替佐米的处理引发了一场地动山摇般的表观遗传重塑。scATAC-seq信号轨迹清晰地显示，控制终末耗竭的关键基因（如PRDM1和PDCD1），其启动子区域的染色质变得更加“紧闭”，可及性大幅降低，从源头上切断了这些负面基因的高频表达。同时，包括KLF2、EGR2、RUNX2和FOXO1等一系列众所周知的负责维持T细胞记忆特征和干性潜能的转录因子，其结合位点的活跃度被大幅上调。
至此，研究的逻辑链条完美闭环：一次针对蛋白酶体的短暂药理学抑制，成功阻断了因线粒体损伤引发的血红素大释放，进而保护了细胞核内BACH2等核心转录因子的纯洁性。这种保护在染色质层面留下了不可磨灭的表观遗传印记，使得CAR-T细胞在植入患者体内后，展现出卓越且持久的抗癌效能。
免疫代谢的新纪元：调控而非彻底清除
这项研究向我们展示了细胞生物学中一个极为深刻的生存悖论。面对受损线粒体的积累，T细胞启动蛋白酶体进行定向降解，本意是为了清除内部毒性物质、维持自身的稳态。然而，这种断尾求生的自救行为，却意外释放了足以改写细胞命运的游离血红素。血红素从线粒体溢出，长驱直入细胞核这一下达核心指令的司令部，通过劫持BACH2，强行关闭了T细胞继续维持生命活力的开关。
值得深入探讨的是，既然游离血红素如此致命，我们能否通过彻底阻断血红素的合成来简单粗暴地解决问题？这在肿瘤微环境中恐怕难以行得通。因为血红素本身也是构建电子传递链、维持细胞基本能量代谢不可或缺的组件；而且在极度缺氧的肿瘤深处，依赖氧气运作的血红素降解酶往往无用武之地。
因此，研究人员为我们指出了一条更为巧妙的破局之路——空间阻断与微调。正如研究中所展示的，仅仅通过敲除PGRMC2切断血红素进入细胞核的物流通道，或者在CAR-T制备初期用极低剂量的蛋白酶体抑制剂进行短暂干预，就足以在不彻底破坏细胞基础代谢的前提下，完美阻挡耗竭程序的启动。这不仅要求我们在未来设计免疫疗法时，必须从全局系统的角度去理解细胞代谢网络，也为我们实现个性化的CAR-T细胞生产工艺优化，提供了极具临床操作性、且有FDA已批准药物背书的崭新策略。
参考文献
Xu Y, Shangguan Y, Chuang YM, Chang TH, Liu W, Peng JJ, Garnica J, Xie L, Hsueh PC, Lin MC, Wang YH, Hajdu KL, Wu Y, Akrami M, Wang C, Kohl A, Zippelius A, Qi W, Wang M, Budiarto BR, Chen SY, Xiao Z, Vardaka P, Roychoudhuri R, Bai Z, Fan R, Carmona S, Yu YR, Scheiermann C, Wang J, Ho PC. Proteasome-guided haem signalling axis contributes to T cell exhaustion. Nature. 2026 Mar 18. doi: 10.1038/s41586-026-10250-y. Epub ahead of print. PMID: 41851457.
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