综述：线粒体功能障碍作为激活胞质DNA传感器通路以触发先天免疫监视的免疫代谢途径的调节因子

《Journal of Translational Medicine》：Mitochondrial dysfunction acts as a modulator of the immunometabolic route for activating the cytosolic DNA sensor pathway in triggering innate immunosurveillance

本综述深入探讨了线粒体功能失调如何通过释放线粒体DNA（mtDNA）作为损伤相关分子模式（DAMP），激活cGAS-STING、NLRP3炎症小体和TLR9等关键先天免疫通路，从而在神经退行性疾病、自身免疫病和癌症等多种复杂疾病的免疫代谢调控中扮演核心角色。文章系统阐述了mtDNA释放的分子机制及其引发的免疫细胞（尤其是巨噬细胞）代谢重编程（如M1/M2极化），为针对免疫代谢检查点（如STING）的新型治疗策略提供了理论依据。

　　

Role of metabolism in cell polarization of innate immune response

作为最重要的先天免疫细胞和有效的抗原呈递细胞，巨噬细胞具有显著的可塑性。它们通过识别风险因素来启动天然免疫反应；反之，它们会响应微环境变化而极化为不同表型，从而调节宿主免疫。宿主免疫稳态依赖于不同极化状态巨噬细胞的微妙平衡。因此，通过促进M1巨噬细胞向M2巨噬细胞的复极化来修饰巨噬细胞活化，对于减轻炎症性疾病具有重要意义。

M1巨噬细胞产生活性氧和氮物种，分泌促炎细胞因子，并表现出MHC-I/II、CD80和CD86的表达增加，以确保有效的微生物杀灭。然而，持续的M1活化可能导致慢性炎症和组织损伤。另一方面，M2巨噬细胞介导Th2细胞因子驱动的疾病，促进组织修复，并减轻Th1/M1驱动的炎症。巨噬细胞极化与代谢变化密切相关。根据免疫代谢理论，促炎性M1巨噬细胞主要利用糖酵解，而促修复性M2巨噬细胞则利用脂肪酸驱动的氧化磷酸化（OXPHOS）。M1巨噬细胞中主要葡萄糖转运蛋白GLUT1的过表达会增强糖酵解，减少线粒体OXPHOS，并增加促炎细胞因子的产生。相反，缺乏GLUT1的巨噬细胞表现出更高的M2极化。

糖酵解可以快速启动，并且比OXPHOS更快地产生ATP，这对于感染或伤口愈合过程中巨噬细胞的快速活化和反应至关重要。M1巨噬细胞对糖酵解的需求支持了其关键的促炎功能，例如通过磷酸戊糖途径产生NADPH用于生成抗菌ROS和脂质合成。M1巨噬细胞的糖酵解转变伴随着线粒体中三羧酸循环（TCA）的缩短，其中琥珀酸的积累促进了HIF-1α的稳定和白细胞介素-1β（IL-1β）的产生。另一方面，抗炎M2巨噬细胞的行为由线粒体OXPHOS的激活所调控，这主要由脂肪酸的β-氧化驱动。恢复完整的TCA循环会增加α-酮戊二酸的产量，这是M2基因表观遗传激活的辅因子。M2巨噬细胞中解偶联蛋白2（UCP2）的表达增加，可解偶联OXPHOS并减少线粒体ROS的过量产生。

线粒体动力学，即由裂变和融合竞争过程控制的结构变化，也直接影响巨噬细胞功能。研究表明，线粒体长度直接影响巨噬细胞行为，特别是在其从促炎状态转变为促消退状态时。因此，通过治疗性恢复线粒体活性来改善炎症巨噬细胞向抗炎细胞的复极化，可能是管理疾病的一种有前景的策略。

From mitochondrial dysfunction to mtDNA release: an interconnected mode of work

许多线粒体成分在释放到胞质溶胶中时可以作为DAMP，被特定的受体、模式识别受体或胞质传感器识别，有助于宿主防御并促进无菌炎症反应。其中，线粒体DNA（mtDNA）是关键角色。mtDNA缺乏组蛋白且修复机制有限，因此更容易在应激条件下受损。当在各种细胞应激条件下释放到胞质溶胶中时，它作为DAMP，通过激活中性粒细胞和内皮细胞诱导先天免疫和炎症反应。

mtDNA的释放可由多种因素触发，包括微生物感染、炎症、基因突变或缺失以及线粒体应激。mtDNA要到达胞质溶胶，必须穿过线粒体内膜（IMM），主要通道包括线粒体通透性转换孔（mPTP），这是一种由Ca²⁺内流激活的非特异性线粒体通道，或者通过IMM从线粒体外膜（OMM）疝出。通过OMM的通道可由Bcl-2相关X蛋白（BAX）和Bcl-2拮抗剂/杀手同源物（BAK）的寡聚化介导。此外，在氧化应激条件下，电压依赖性阴离子通道1（VDAC1）可以寡聚化并介导mtDNA释放。研究表明，VDAC介导的mtDNA释放与许多病理状况有关，而BAX/BAK寡聚化则与极端应激和/或凋亡相关。OMM上介导mtDNA释放的孔道取决于线粒体应激的水平：VDAC1在中等水平应激时寡聚化，而BAX/BAK大孔在极端水平应激和/或凋亡时形成。

在特定的细胞死亡途径中，mtDNA可以被释放到胞质溶胶中。在凋亡过程中，BAX和BAK蛋白在OMM上形成孔道，导致线粒体成分释放。虽然典型的凋亡不诱导炎症过程，但在半胱天冬酶（Caspase）缺陷的促炎性凋亡中，mtDNA在胞质溶胶中积累，支持后续炎症过程的启动。在此过程中，IMM通过OMM上的BAX/BAK孔道挤出并透化，允许mtDNA释放到胞质溶胶中。

mtDNA极易受到氧化损伤，特别是在线粒体呼吸过程中产生的ROS诱导下形成8-氧代-2'-脱氧鸟苷（8-oxo-dG）。在生理条件下，这种损伤通过碱基切除修复途径被清除。然而，在慢性应激条件或修复系统效率低下时，氧化损伤持续存在，酶FEN1可能参与切割受损的mtDNA，产生约500-650 bp的氧化片段。这些片段可以通过mPTP和VDAC从线粒体中逸出，并在细胞质中积累作为DAMP。

在凋亡刺激下，BAX/BAK孔道将完整的氧化mtDNA释放到胞质中。由于Ca²⁺超载和ROS的过量产生，mPTP打开，VDAC发生寡聚化。同时，在线粒体内形成的完整氧化mtDNA被片段化并通过mPTP释放。此外，被Caspase-1/4/5/8/11切割的GSDMD形成GSDMD-NT片段，这些片段形成GSDMD孔道，促进氧化mtDNA片段的释放。在各种应激条件下，线粒体衍生囊泡（MDVs）的形成、IMM通过外膜的疝出（单膜MDVs）或双膜MDVs的产生，导致包括mtDNA在内的线粒体内容物的掺入。MDVs与多泡体融合允许它们被释放到细胞外空间。

线粒体嵴的维持对于防止mtDNA释放也至关重要。例如，在阿尔茨海默病模型中，线粒体蛋白Opa1的表达减少有助于疾病发展，而其过表达有助于减少神经元中的mtDNA丢失，表明其对抗线粒体炎症的潜在治疗作用。

Activation of inflammatory pathways by cytosolic mtDNA

主要的线粒体DAMP——mtDNA，通过激活cGAS和STING、Nod样受体（NLR）家族pyrin结构域包含3（NLRP3）炎症小体或Toll样受体9（TLR9），根据其定位引发各种促炎信号通路。

胞质中的mtDNA被cGAS识别，cGAS是一种位于胞质和细胞核中的蛋白质。胞质中双链DNA的结合释放了cGAS的催化位点，使其激活。cGAS结合胞质DNA，形成寡聚复合物，催化产生第二信使cGAMP，cGAMP与STING结合。活化的二聚体STING从内质网转移到高尔基体 compartment，招募激酶TBK1，随后TBK1磷酸化STING。磷酸化的STING招募IRF3并允许其被TBK1磷酸化。磷酸化的IRF3二聚化并转移到细胞核，驱动I型干扰素的转录。STING还通过激活激酶IKK来正向调节炎症细胞因子和趋化因子，IKK磷酸化并灭活转录因子NF-κB的抑制剂IκB家族，NF-κB与IRF3一样，会转移到细胞核中。

在氧化应激条件下，释放到胞质中的mtDNA，特别是氧化后的mtDNA，可以结合NLRP3以触发炎症小体组装。NLRP3炎症小体的激活涉及两个阶段：“启动”和“激活”。在启动阶段，TLRs等受体与其配体结合，促进NF-κB核转位，诱导NLRP3、IL-1β和白细胞介素-18（IL-18）的转录表达。在激活阶段，NLRP3响应各种内源性和外源性刺激而寡聚化。它由NLR、适配器凋亡相关斑点样蛋白（ASC）、蛋白激酶NIMA相关激酶7和Caspase-1前体蛋白组成。NLR识别DAMP（如mtDNA）并发生构象变化，使其能够通过与其N端pyrin结构域相互作用来招募和激活ASC。ASC使用CARD招募pro-caspase-1。Caspase-1然后启动炎症级联反应，触发其自身切割并释放其活性p20片段，该片段将pro-IL-1β和pro-IL-18转化为其成熟的促炎形式，产生炎症细胞因子IL-1β和IL-18。此外，活化的Caspase-1可以切割GSDMD，在质膜上形成GSDMDNT孔，从而将IL-1β和IL-18分泌到细胞外环境中。

释放到胞质或细胞外空间的mtDNA可以激活TLR9信号传导，导致几种促炎细胞因子的激活。TLR9是感知非甲基化富含胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG）DNA的受体。DNA分子与每个单体的结合导致TLR9二聚化，随后与髓样分化初级反应蛋白88（MYD88）适配器蛋白相互作用。该适配器招募激酶IRAK形成MyD88、IRAK4、IRAK1和IRAK2复合物，促进TRAF6、TAK1和MAPK的顺序招募，导致转录因子NF-κB、AP-1和CREB的激活以产生炎症细胞因子。或者，MyD88、IRAK4和IRAK1促进TRAF6和TRAF3的顺序招募，导致IRF7的激活和IFN的产生。

Metabolic messengers in metabolic rewiring of immune cell metabolism

如上所述，线粒体功能是免疫细胞活化和后续功能的基本调节器。在静息免疫细胞中，OXPHOS提供了维持细胞静息所需的基础生物能量支持。激活后，免疫细胞经历从OXPHOS到有氧糖酵解的基本代谢转变。这一过程在机制和表型上类似于恶性细胞中的Warburg效应，不仅促进了ATP的快速生成，而且为支持细胞增殖、细胞因子合成和特殊效应器功能所需的生物合成中间体提供了供应。

关键的免疫代谢信号与免疫调节的代谢重编程相关。衣康酸（Itaconate）是一种来源于TCA循环的代谢中间体，可以重塑应激和炎症下的细胞命运和功能。衣康酸由免疫反应基因1（IRG1）编码的乌头酸脱羧酶1（ACOD1）在 citrate 转化为 isocitrate 过程中由中间底物 cis-aconitate 合成。衣康酸通过抑制琥珀酸脱氢酶（SDH）来改写代谢转换。SDH活性在某些病理情况下已知可促进复合体I中的反向电子传递（RET），产生ROS。然而，在线粒体中，底物琥珀酸与其他TCA循环代谢物一起积累，使该线粒体代谢途径从能量产生模式转变为支持分解代谢途径，为生物合成提供前体而不是能量产生。此外，IRG1基因表达在细胞响应促炎过程时受到正调控。衣康酸合成的相关增加将通过阻断RET和抑制SDH来减少线粒体RNA释放用于炎症信号级联。衣康酸还通过改变巨噬细胞极化来帮助调节免疫细胞状态，从而支持抗炎反应并改善局部免疫微环境。

最近的一项研究表明，糖皮质激素（GCs）通过调节巨噬细胞的线粒体代谢来发挥抗炎作用，从而导致衣康酸合成增加。糖皮质激素的抗炎作用涉及重编程巨噬细胞线粒体代谢，从而抑制炎症反应。在用脂多糖（LPS）处理的M1极化巨噬细胞中，GCs可以逆转LPS诱导的线粒体呼吸阻断和LPS诱导的有氧糖酵解过程。因此，用GCs处理LPS激活的巨噬细胞会刺激典型的M2极化高度能量表型。在GCs抗炎作用模式的机制中，激素与存在于胞质中的丙酮酸脱氢酶复合物的部分相互作用。据推测，胞质GCs受体通过促进胞质丙酮酸脱氢酶通过涉及GCs介导的抗炎信号传导的替代途径易位到线粒体，有助于非基因组抗炎反应。结果是刺激了原本促炎巨噬细胞中的TCA循环通量。因此，GCs促进了丙酮酸流入线粒体氧化代谢（TCA循环和OXPHOS）并挽救了线粒体呼吸；相反，GCs减少了丙酮酸在乳酸生成中的胞质利用。

Immune-metabolic disorders: mitochondria's role

线粒体在健康调节和疾病进展中都起着至关重要的作用。特别是，线粒体功能障碍与许多常见疾病有关，例如癌症、代谢综合征、神经退行性变和心血管疾病。

以下是涉及先天免疫和线粒体功能障碍的病理学例子。急性心肌梗死（MI）后，先天免疫细胞对于组织损伤和恢复至关重要。在Cai等人的研究中，髓系特异性缺失（mKO）线粒体复合物I蛋白Ndufs4，复制了巨噬细胞中的促炎代谢特征并增强了对LPS的反应。MI后30天，mKO小鼠表现出心脏功能降低、瘢痕形成不良和死亡率更高。在MI后7天内，观察到向修复阶段的转变延迟、浸润巨噬细胞的细胞死亡增加以及炎症反应增强。此外，mKO巨噬细胞表现出较差的efferocytosis、组织修复因子和抗炎细胞因子表达减少，以及梗死区域中肌成纤维细胞活化和增殖受到抑制。清除mtROS改善了体内肌成纤维细胞功能，纠正了这些缺陷，并降低了mKO动物的MI后死亡率。这些发现表明线粒体通过调节efferocytosis和成纤维细胞相互作用在组织愈合和炎症消退中起关键作用。

另一个例子是心肌缺血再灌注损伤，其中免疫紊乱通过加剧心肌细胞损伤和线粒体相关代谢异常在疾病进展中起主要作用。研究人员开发了治疗策略来改善受损的免疫代谢微环境。具体而言，开发了一种同基因修复性巨噬细胞系统用于选择性递送纳米药物。将纳米药物释放到缺血心肌区域协同促进了心肌细胞存活并激活了细胞外修复和血管生成，从而发挥了长期的心脏保护作用。具体而言，抑制了STING相关信号通路，从而重塑了免疫炎症稳态，增加了M2巨噬细胞、修复性心脏驻留巨噬细胞和调节性T细胞，并减少了M1巨噬细胞和中性粒细胞的募集和浸润。此外，促进了线粒体氧化磷酸化，并减少了线粒体相关的铁死亡和氧化损伤。

Deo等人在2020年报告了先天免疫细胞如何利用线粒体健康监测来检测感染。他们证明了暴露于铜绿假单胞菌、尿路致病性大肠杆菌和淋病奈瑟菌的外膜囊泡（OMVs）的巨噬细胞会触发NLRP3炎症小体激活和线粒体凋亡。当OMVs和引起线粒体功能障碍的毒素限制宿主蛋白合成时，不稳定的BCL-2家族成员MCL-1被耗尽，并诱导BAK依赖性线粒体凋亡。在体外暴露于OMVs后，NLRP3炎症小体被钾离子外流和线粒体凋亡激活。重要的是，在体内背景下，线粒体凋亡控制了响应淋病奈瑟菌OMVs的 interleukin-1β 的激活和释放。

在癌症中，cGAS/STING通路是一个关键的免疫激活剂，触发先天免疫监视并响应内源性mtDNA。已经证明丝氨酸剥夺对cGAS/STING通路有显著影响，因为丝氨酸对于细胞代谢是必需的，并影响肿瘤生长和免疫反应。实际上，细胞中的丝氨酸缺乏导致线粒体功能障碍和mtDNA的胞质释放，从而触发I型IFN反应并激活cGAS/STING通路。在小鼠模型中，丝氨酸剥夺通过增加肿瘤免疫浸润（包括I型IFN反应和CD4+/CD8+ T细胞）来改善抗癌免疫力。临床上，在结直肠癌患者中，表明丝氨酸富集降低的遗传特征与免疫激活和更好的生存率相关。此外，丝氨酸耗竭提高了免疫检查点抑制的效果，这可以通过将丝氨酸剥夺与PD1阻断相结合导致小鼠肿瘤体积显著减少和长期免疫力来证明。

其他病理，其中主要的病理生理过程由先天免疫反应代表，是暴露于多种环境应激的眼表疾病，例如干眼病。根据Ouyang等人的研究，在这些疾病中，mtDNA在应激下通过mPTP释放到细胞质中，这进一步触发了cGAS/STING通路并加剧了眼表损伤和随后的炎症反应。STING的基因删除、药理学抑制以及阻断mtDNA释放可减少炎症反应。

mtDNA在塑造免疫微环境中的复杂作用代表了免疫代谢研究的一个关键前沿。mtDNA作为DAMP释放到胞质中，启动炎症反应，特别是巨噬细胞从M1向M2表型的转换极化。然而，控制这种表型转变的精确分子机制在很大程度上仍未解决。未来的研究必须明确确定mtDNA介导的信号影响巨噬细胞可塑性的途径。开放的治疗问题包括STING信号传导（胞质mtDNA的关键传感器）的药理学调节，以及代谢检查点控制中断M1/M2轴的可能性。此外，深入了解治疗性调节mtDNA释放的方法对于开发在慢性炎症和癌症中操纵先天免疫系统的新策略至关重要。

在免疫代谢紊乱和组织损伤中，线粒体成分如mtDNA、线粒体定位的microRNA和相关蛋白可用作改善线粒体功能的治疗剂。

Conclusions

总而言之，我们强调了免疫代谢网络中的一个关键调节节点，强调了线粒体完整性、DAMP介导的信号传导和先天免疫细胞编程之间重要的相互作用。我们试图表明线粒体成分，特别是mtDNA，作为关键的危险信号，其胞质释放协调了炎症重编程，这是慢性无菌炎症持续存在的核心机制。

然而，尽管在理解线粒体功能障碍在免疫代谢中的作用方面取得了进展，许多问题仍有待进一步探索。特别是，mtDNA释放的治疗性调节代表了一个有前景的前沿领域，可用于减弱炎症通路的异常激活。针对线粒体孔道（如mPTP、VDAC1、BAX/BAK）的靶向干预可以限制mtDNA向胞质中的扩散，从而减少无菌免疫反应的启动。同时，cGAS-STING通路的药理学调控，例如通过选择性STING抑制剂或cGAMP调节剂，为控制干扰素和促炎细胞因子的表达提供了新的可能性。最后，控制代谢检查点如GLUT1和UCP2可能允许重编程免疫代谢，有利于向促消退的M2表型极化。这些策略的整合可能为慢性炎症、自身免疫性和退行性疾病的创新疗法铺平道路，并对再生医学和免疫治疗产生重大影响。