Caspase-11 驱动 Polg 相关线粒体疾病模型中巨噬细胞过度炎症的机制研究

线粒体疾病（MtD）患者易受感染且免疫机制不明。研究人员以 Polg 相关 MtD 小鼠为模型，探讨先天免疫过度激活机制，发现 IFN-I 介导的 caspase-11 和 GBP 上调使巨噬细胞感知铜绿假单胞菌（PA），引发炎症和焦亡，为治疗提供新方向。

　　线粒体作为细胞的 “能量工厂”，不仅承担着氧化磷酸化（OXPHOS）的重任，还在免疫调控中扮演关键角色。线粒体疾病（MtD）作为最常见的先天性代谢疾病，因线粒体 DNA（mtDNA）维护异常或氧化磷酸化功能缺陷，导致患者出现多系统受累、进行性症状加重等问题。临床观察发现，MtD 患者对细菌和病毒感染异常敏感，尤其是铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, PA）等机会性致病菌感染，常引发严重肺炎、败血症甚至死亡。然而，线粒体功能障碍如何加剧感染后的免疫病理反应，尤其是先天免疫过度激活的分子机制，一直是领域内的未解之谜。

为揭开这一谜团，来自美国杰克逊实验室（The Jackson Laboratory）和德克萨斯 A&M 大学（Texas A&M University）的研究团队，聚焦于聚合酶 γ（Polg）相关 MtD 模型，开展了一系列体内外研究。Polg 作为唯一的线粒体 DNA 聚合酶，其突变会导致 mtDNA 稳定性下降，引发如阿尔珀斯 - 胡滕洛赫尔综合征等严重 MtD。研究团队利用 Polg^D257A突变小鼠（mtDNA 不稳定模型）和携带人类致病突变的 Polg^R292C小鼠，结合铜绿假单胞菌感染模型，深入解析先天免疫过度激活的机制。该研究成果发表在《Nature Communications》，为理解 MtD 感染并发症提供了关键线索。

研究人员采用了多种关键技术方法：通过 RNA 测序（RNA-seq）和蛋白质组学分析感染后巨噬细胞的基因和蛋白表达谱；利用 CRISPR/Cas9 技术构建 Polg^R292C突变小鼠模型；借助免疫荧光（IF）和透射电子显微镜（TEM）观察细胞形态和蛋白定位；运用细胞焦亡（pyroptosis）抑制剂（如 Ac-YVAD-cmk）和干扰素受体（IFNAR）阻断抗体进行功能验证；通过支气管肺泡灌洗（BAL）和菌落形成单位（CFU）计数评估肺部感染和细菌清除能力。此外，研究还纳入了患者来源的突变模型，增强了研究结果的临床相关性。

结果分析

Polg 突变巨噬细胞对细菌挑战呈现 IFN-I 和促炎反应增强

研究发现，Polg^D257A骨髓来源巨噬细胞（BMDM）在 PAO1 感染后，RNA-seq 和蛋白质组学显示促炎细胞因子（如 TNFα、IL-1β）、I 型干扰素（IFN-I）及其刺激基因（ISG）显著上调。基因集富集分析（GSEA）证实，PAO1 感染的 Polg 突变 BMDM 中，促炎细胞因子、趋化因子和 IFN-I 信号通路显著激活。多因子细胞因子分析显示，腹腔巨噬细胞（PerMac）在感染后 6 小时即释放大量促炎因子，且持续时间超过 24 小时，表明 Polg 突变巨噬细胞对细菌刺激的炎症反应显著增强且持久。

Polg 突变巨噬细胞在细菌挑战下焦亡细胞死亡增强

由于 IL-1β 分泌增加，研究人员聚焦焦亡途径。RNA-seq 和蛋白质组学显示，Polg 突变 BMDM 中炎症小体（inflammasome）信号、免疫原性细胞死亡相关基因显著富集，焦亡相关蛋白（如 caspase-1、Gasdermin D）表达上调。使用 caspase-1 抑制剂 Ac-YVAD-cmk 可几乎完全抑制 IL-1β 分泌，并减少 TNFα、IL-6 等因子释放，同时降低 propidium iodide（PI）阳性细胞比例，表明焦亡依赖于 caspase-1 激活。透射电镜观察发现，Polg 突变巨噬细胞感染 PAO1 后，细胞核浓缩、吞噬溶酶体结构异常，提示焦亡形态学改变。

升高的 IFN-I 增强 caspase-11 和 caspase-1 的表达与激活

在野生型巨噬细胞中，PAO1 主要激活 NLRC4 炎症小体，而 Polg 突变 BMDM 中 caspase-1 和 Gasdermin D 切割增加，caspase-11 和 IL-1β 表达升高。通过转染脂多糖（LPS）激活非经典炎症小体（caspase-11 依赖），Polg 突变 BMDM 显示更强的 PI 摄取和 IL-1β 分泌，且可被 Ac-YVAD-cmk 抑制。IFNAR 阻断抗体显著降低 caspase-11 激活后的细胞死亡，表明 IFN-I 通过上调 caspase-11 驱动非经典炎症小体激活，进而促进焦亡和炎症。

升高的 IFN-I 信号增加 GBP 表达和炎症

IFN-I 信号可诱导鸟苷酸结合蛋白（GBP）表达，GBP 通过破坏病原体含液泡膜促进 LPS 释放。RNA-seq 和蛋白质组学显示，Polg 突变 BMDM 中 GBP2、GBP5 表达显著升高，免疫荧光证实 GBP5 与 PAO1-LPS 共定位增强。敲低 GBP2/5 或 caspase-11 可减少焦亡和细胞因子分泌，提示 GBP 通过增强 caspase-11 对 LPS 的感知，促进焦亡和炎症反应。

Polg^R292C小鼠模型验证炎症表型

携带人类致病突变的 Polg^R292C小鼠表现出 mtDNA 耗竭、ISG 上调和 OXPHOS 缺陷。PAO1 感染后，其 BMDM 显示类似 Polg^D257A的表型：GBP 和细胞因子表达增加，焦亡和炎症依赖 caspase-1/11 和 IFNAR。体内实验显示，Polg^R292C小鼠肺部感染 PAO1 后，炎症因子水平升高，细菌清除能力未受显著影响但炎症持续存在，表明炎症损伤而非细菌负荷是致病关键。

体内感染模型揭示 Polg 突变小鼠的炎症和病理

气管内滴注 PAO1 后，Polg^D257A小鼠肺部促炎因子（如 IFNβ、IL-23）显著升高，炎症细胞浸润增加，且再次感染后出现更严重的组织损伤和细菌扩散。高剂量感染导致 Polg 突变小鼠存活率降低，病理评分升高，caspase-11 和 IL-1β 持续表达，提示过度炎症导致急性肺损伤和 morbidity。

结论与意义

本研究揭示了 Polg 相关 MtD 中先天免疫过度激活的机制：慢性 IFN-I 信号通过上调 caspase-11 和 GBP，增强巨噬细胞对细菌 LPS 的感知，触发非经典炎症小体激活和焦亡，导致过度炎症和感染并发症。这一发现解释了 MtD 患者易感染和炎症恶化的现象，并提出 caspase-11、IFN-I 和 GBP 作为治疗靶点的潜力。研究不仅拓展了对线粒体 - 免疫互作的理解，更为开发针对 MtD 感染和炎症并发症的免疫调节疗法提供了新方向，有望改善患者预后。