遗传性线粒体DNA突变重塑巨噬细胞炎症因子反应并加剧小鼠体内I型干扰素信号传导

《Nature Communications》：An inherited mitochondrial DNA mutation remodels inflammatory cytokine responses in macrophages and in vivo in mice

本研究针对遗传性线粒体DNA突变如何影响先天免疫这一关键科学问题，揭示了m.5019A>G tRNAAla突变通过破坏线粒体翻译、呼吸链复合物（CI、CIII、CIV）和嵴结构，诱导代谢重编程（增强有氧糖酵解和还原性谷氨酰胺代谢），进而导致巨噬细胞炎症反应失衡——表现为I型干扰素（IFN-β/IFN-α2）产生增加而促炎细胞因子（IL-1β）和oxylipins（PGD2/PGE2）减少。该发现为理解线粒体病患者易感感染和全身性炎症的机制提供了新视角，对线粒体疾病免疫治疗具有重要启示。

　　

在我们身体的每个细胞里，都存在着一个微小的“能量工厂”——线粒体。它们不仅负责为我们提供能量，还扮演着细胞信号枢纽的重要角色。线粒体独特之处在于它们拥有自己的遗传物质，即线粒体DNA（mtDNA）。当这些mtDNA发生突变时，就会引起一系列被称为“原发性线粒体病”的罕见遗传性疾病，影响着大约每5000人中就有1人。

尽管临床观察发现线粒体病患者更容易发生严重感染和全身性炎症反应综合征（SIRS），但科学家们对于遗传性mtDNA突变究竟如何影响我们的免疫系统，特别是先天免疫反应，了解甚少。巨噬细胞作为先天免疫系统的关键成员，其功能高度依赖于线粒体的代谢重编程。以往的研究多集中于核基因编码的线粒体蛋白缺陷模型，而对于更常见于线粒体病患者的遗传性mtDNA突变如何影响巨噬细胞功能，尚缺乏深入探索。

最近发表在《Nature Communications》上的这项研究，为我们揭开了这一谜题的关键部分。研究团队利用一种携带异质性线粒体tRNA^Ala突变（m.5019A>G）的小鼠模型，系统性地探究了这一致病性mtDNA突变对巨噬细胞免疫代谢和功能的影响。

为了全面解析m.5019A>G突变对巨噬细胞的影响，研究人员综合运用了多种先进技术。他们通过蛋白质组学和转录组学分析揭示了突变细胞的分子特征；利用Seahorse能量代谢分析系统评估了细胞的耗氧率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR）；采用稳定同位素标记（如U-¹³C-葡萄糖和U-¹³C-谷氨酰胺）结合液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术追踪了代谢通路的动态变化；通过透射电子显微镜（TEM）观察了线粒体超微结构；并借助免疫荧光显微镜和超分辨率显微镜分析了线粒体网络形态。此外，研究还包含了体外细胞因子检测（如ELISA）、脂质介质分析（oxylipin profiling）以及体内小鼠内毒素血症模型等多种实验方法。

Characterisation of heteroplasmic m.5019A>G macrophages

研究人员首先对m.5019A>G巨噬细胞进行了全面表征。这些细胞携带70%-87%的突变负荷，但分化能力未受影响。然而，它们表现出明显的线粒体翻译缺陷，导致新合成的线粒体蛋白质显著减少。这进一步引起了呼吸链复合物I（CI）、III（CIII）和IV（CIV）亚基的选择性缺失，但复合物II（CII）和V（CV）保持完整。功能上，突变巨噬细胞的基线呼吸、储备呼吸能力（SRC）和ATP相关的氧消耗均显著降低，表明氧化磷酸化（OxPhos）严重受损。尽管线粒体DNA拷贝数在静息状态下正常，但脂多糖（LPS）刺激后显著增加，提示应激反应异常。

Glycolytic reprogramming in m.5019A>G macrophages

面对线粒体呼吸缺陷，m.5019A>G巨噬细胞展现出惊人的代谢适应性。尽管ATP水平保持不变，但它们转向了有氧糖酵解，表现为糖酵解速率和最大糖酵解能力增强，细胞外酸化率（ECAR）升高，乳酸/丙酮酸比率显著增加。这种代谢转换伴随着HIF-1α信号通路上调以及关键糖酵解酶如LDHA和LDHB的表达增加。稳定同位素示踪实验进一步证实，葡萄糖衍生的碳更多地流入乳酸，而进入三羧酸循环（TCA cycle）的流量减少。

TCA cycle remodelling in m.5019A>G macrophages

深入研究TCA循环，研究人员发现了更复杂的代谢重塑。突变巨噬细胞中α-酮戊二酸（α-KG）水平升高，而琥珀酰辅酶A（succinyl-CoA）和天冬氨酸水平降低，表明氧化性TCA循环通量受损。特别值得注意的是，二氢硫辛酰胺脱氢酶（DLD）——多种线粒体脱氢酶复合物（包括OGDHC和PDHC）共享的E3亚基——特异性减少，这可能是导致代谢缺陷的关键因素。此外，突变细胞表现出还原性代谢特征，包括还原性羧化作用增强和L-2-羟基戊二酸（L-2-HG）积累，这些都是细胞应对氧化还原应激的典型适应。

Inflammatory aspartate-argininosuccinate shunt and NO production in m.5019A>G macrophages

有趣的是，尽管存在广泛的线粒体功能障碍，m.5019A>G巨噬细胞在LPS刺激后反而表现出更强的诱导型一氧化氮合酶（iNOS）表达和一氧化氮（NO）产生。代谢通量分析揭示，这得益于增强的天冬氨酸-精氨基琥珀酸分流（AAS），该分流通过还原性合成的天冬氨酸支持精氨酸和NO的生成。这一发现凸显了突变巨噬细胞在不利条件下维持免疫效应的代谢灵活性。

Disrupted inflammatory setpoints in m.5019A>G macrophages

最重要的发现在于m.5019A>G巨噬细胞表现出独特的炎症反应模式。与野生型细胞相比，突变细胞在LPS刺激后产生显著更多的I型干扰素（IFN-β），其诱导呈现双相特征：早期阶段由TLR4-IRF3信号驱动，晚期阶段则涉及线粒体核酸释放。相反，关键的促炎细胞因子IL-1β和环氧合酶2（COX2）产物（如PGD2和PGE2）的生成却受到抑制。机制上，这种炎症失衡依赖于自分泌的IFN-β信号，因为使用JAK抑制剂Ruxolitinib或IFNAR阻断抗体均可逆转IL-1β和COX2的抑制表型。

Mitochondrial network remodelling in m.5019A>G macrophages

线粒体网络形态分析揭示了另一个适应性变化。与预期相反，m.5019A>G巨噬细胞的线粒体并未碎片化，反而变得更加 elongated（伸长），连接点增多，表现出应激诱导的线粒体超融合（SIMH）特征。这种形态变化可能是一种促生存适应，有助于缓解轻度代谢压力。

Disrupted mitochondrial cristae and nucleic acid release in m.5019A>G macrophages

透射电镜观察发现，突变巨噬细胞的线粒体嵴结构严重紊乱。更重要的是，细胞分级和免疫荧光染色证实，随着LPS刺激时间延长，胞质中mtDNA和mtRNA水平显著升高。通过使用cGAS抑制剂RU.521和线粒体转录抑制剂IMT1，研究人员证实了晚期IFN-β诱导部分依赖于cGAS-STING通路和mtRNA感知。

Systemically elevated type I IFN signalling in m.5019A>G mice

最后，研究团队在整体动物水平验证了上述发现。给m.5019A>G小鼠注射LPS后，其血清中IFN-β和IFN-α2水平显著升高，而肾脏和肺组织中I型干扰素刺激基因（ISG）表达上调，同时小鼠表现出更严重的疾病行为。这些结果证实，遗传性mtDNA突变确实能够在体内引发全身性的I型干扰素信号放大。

这项研究系统地阐明了遗传性mtDNA突变通过重塑巨噬细胞代谢和线粒体功能，进而失衡先天免疫反应的精细机制。不仅揭示了mtDNA突变是潜在的先天性免疫错误，为理解线粒体病患者对感染的高度易感性提供了机制解释，更重要的是，提出了代谢干预可能调节免疫平衡的新策略。这些发现对于开发针对线粒体病及相关炎症性疾病的新型治疗方法具有重要的指导意义。