线粒体DNA（mtDNA）在炎症与代谢调控中的遗传与表观遗传机制

《The FASEB Journal》：The Genetic and Epigenetic Mechanisms of mtDNA in Regulation of Inflammation and Metabolism

摘要专业翻译 线粒体作为细胞的主要能量工厂，通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生三磷酸腺苷（ATP），以维持基本的细胞进程。除了能量生产，线粒体还充当代谢稳态、细胞内信号网络和程序性细胞死亡通路的关键调节器。线粒体基因组包含37个基因，编码13个OXPHOS亚基、22个转运RNA（tRNA）和2个核糖体RNA（rRNA），所有这些都在线粒体内进行转录和翻译。线粒体DNA（mtDNA）的完整性会因多种病理刺激而受损，包括代谢失调、氧化应激和炎症级联反应，从而在多器官系统的疾病发病机制中发挥作用。本综述综合了关于mtDNA在健康和疾病中多方面作用的现有知识。研究人员提出了一个框架，通过三种相互关联的机制来解释mtDNA发挥其作用：（1）向细胞核的逆行信号传导，重编程核基因表达；（2）mtDNA作为损伤相关分子模式（DAMP）释放到胞质和胞外，激活如cGAS-STING和NLRP3等先天免疫通路；（3）直接调节线粒体基因表达的内在表观遗传修饰。研究人员批判性地评估了将mtDNA改变与一系列疾病（包括癌症、心血管和代谢性疾病、神经退行性疾病以及精神疾病）联系起来的证据。研究人员得出结论，全面理解mtDNA的多面性——超越其仅仅被视为一种DAMP的认知——对于将线粒体生物学转化为有效的临床干预措施至关重要。

论文主体内容总结

1 引言

线粒体是关键的生物能量细胞器，通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP以维持细胞稳态。除了能量代谢，线粒体还协调凋亡信号、血红素和胆固醇生物合成、钙稳态及活性氧（ROS）生成等多种细胞过程。这些双膜细胞器携带母系遗传的DNA，编码氧化代谢所必需的蛋白质。人类环状线粒体基因组约含16 600碱基对，小鼠约为16 300碱基对。线粒体功能障碍是许多病理状况的基础，这通常反映了复杂的遗传基础。线粒体疾病的复杂遗传学源于双重基因组控制：核DNA（nDNA）编码超过1000种线粒体靶向蛋白，而mtDNA包含37个基因。与线性核染色体不同，mtDNA形成环状双链分子。细胞mtDNA拷贝数变化很大，取决于组织特异性的代谢需求。mtDNA遗传密码不同于通用密码，并且线粒体拥有自主的复制、转录和翻译机器。非编码置换环（D-loop）调控mtDNA的复制和转录。由于缺乏内含子和组蛋白，且靠近OXPHOS位点，mtDNA易受氧化损伤。线粒体主要的DNA修复活性是碱基切除修复（BER），其中8-氧代鸟嘌呤糖苷酶1（OGG1）负责检测和移除最常见的氧化DNA损伤。与核基因不同，mtDNA点突变遵循线粒体遗传学规则，包括母系遗传、异质性（heterogeneity）和阈值效应。原发性线粒体疾病由mtDNA或编码线粒体蛋白的核基因突变引起。mtDNA拷贝数异常和序列变异是线粒体疾病的核心驱动因素之一，可通过三种机制参与疾病发病：向细胞核的逆行信号传导、作为DAMP触发先天免疫，以及线粒体表观遗传修饰。

1.1 线粒体DNA调控核基因表达

线粒体作为动态信号细胞器，通过逆行信号从线粒体向细胞核传递信息，调节核基因表达。在酵母中，线粒体压力导致膜电位下降，触发Rtg2依赖的信号通路。在哺乳动物中，类似的逆行信号通过以下途径介导：（1）能量应激反应：低ATP水平激活AMP活化蛋白激酶（AMPK），促进过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC1α）的活化，刺激线粒体生物发生。（2）Ca²⁺依赖性应激反应：线粒体膜电位丧失导致Ca²⁺释放，激活钙调神经磷酸酶，进而激活活化T细胞核因子（NFAT）和核因子κB（NF-κB）。（3）ROS依赖性反应：ROS水平升高抑制KEAP1介导的NFE2L2降解，促进NFE2L2核转位并激活抗氧化反应。此外，线粒体未折叠蛋白反应（UPR_mt）和整合应激反应（ISR）也直接调节核基因表达。mtDNA耗竭可诱导逆行信号，改变核基因表达谱。研究表明，mtDNA多态性与nDNA甲基化模式相关，且mtDNA异质性的变化可引起组蛋白修饰的改变，影响表观基因组和转录组。

1.2 线粒体DNA参与炎症调控

线粒体通过双重机制成为免疫功能的核心调节者：一是通过线粒体呼吸途径和氧化磷酸化进行免疫细胞的代谢重编程；二是线粒体成分释放后作为DAMP直接激活先天免疫。mtDNA是最具特征的线粒体DAMP，通过线粒体通透性转换孔（mPTP）、BAX或VDAC1寡聚体形成的孔道释放至胞质。胞质mtDNA激活环状GMP-AMP合酶（cGAS），触发STING依赖的I型干扰素转录。氧化的mtDNA特异性结合NLRP3炎症小体，促进caspase-1介导的IL-1β和IL-18成熟。细胞外mtDNA通过吞噬作用被摄取，经内体Toll样受体9（TLR9）识别，诱导促炎细胞因子表达。

1.2.1 线粒体自噬

线粒体自噬是通过选择性清除受损线粒体来维持mtDNA质量和数量的核心机制。其启动由线粒体膜电位丧失、ROS积累或mtDNA损伤触发，主要通过PINK1/Parkin（泛素依赖性）通路实现。线粒体自噬是消除有害mtDNA突变和阻止mtDNA泄漏的关键途径，可抑制cGAS-STING等炎症通路。当线粒体自噬功能受损时，受损线粒体的积累会导致大量mtDNA泄漏至胞质，作为DAMP激活炎症反应。

1.2.2 mtDNA调控涉及的受体及相关信号

在稳态条件下，mtDNA被隔离在线粒体基质内。细胞压力触发mtDNA向胞质和胞外区室转移，使其被模式识别受体识别，包括TLR9、cGAS和晚期糖基化终末产物受体（RAGE）。

1.2.2.1 线粒体DNA与TLR9的刺激：TLR9是识别细菌和线粒体基因组中未甲基化CpG序列的原型模式识别受体。mtDNA结合后，TLR9通过髓样分化初级反应蛋白88（MyD88）依赖性激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和NF-κB，引发炎症级联反应。循环mtDNA通过细胞损伤、中性粒细胞胞外陷阱或细胞外囊泡释放，驱动局部和全身炎症反应。

1.2.2.2 线粒体DNA与NLRP3炎症小体的激活：NLRP3炎症小体是由NLRP3传感器、ASC衔接蛋白和pro-caspase-1组成的多蛋白胞质复合物。氧化的mtDNA被确认为NLRP3的关键激活信号。受损线粒体产生高水平ROS，氧化新合成的mtDNA，随后mtDNA片段通过mPTP和VDAC通道逃逸至胞质，激活NLRP3炎症小体。

1.2.2.3 线粒体DNA与cGAS-STING信号：胞质传感器cGAS识别错位的DNA，催化形成环状GMP-AMP（cGAMP）。cGAMP结合STING，启动TBK1磷酸化和IRF3激活，最终驱动干扰素刺激基因表达和I型干扰素产生。多种病理条件涉及mtDNA-cGAS-STING轴失调，包括TFAM缺陷、ATM蛋白缺失、TOP1MT缺陷、CLPP蛋白酶缺失、ENDOG核酸酶缺失等。细胞进化出多层负调控机制以防止cGAS-STING过度激活，如核内cGAS与染色质的锚定、TREX1对胞质DNA的降解以及ENPP1对胞外cGAMP的水解。

1.2.3 线粒体DNA表观遗传修饰

mtDNA上DNA甲基化（主要是5-甲基胞嘧啶，5mC）的存在和功能相关性是线粒体生物学中最具争议的领域之一。技术挑战在于mtDNA的环状、高丰度和单链特性可能导致亚硫酸氢盐转化中的假象。有研究认为检测到的5mC信号可忽略不计或归因于人工制品。相比之下，N⁶-甲基腺嘌呤（6mA）更一致地与线粒体基因调控和衰老相关联。METTL4是已知的哺乳动物mtDNA 6mA甲基转移酶，通过催化6mA修饰抑制TFAM结合和mtDNA转录。去甲基化酶ALKBH1负责擦除6mA。此外，线粒体定位的微小RNA（mitomiRs）和长链非编码RNA（lncRNAs）构成了多层次线粒体表观遗传调控网络，精确控制mtDNA的拷贝数、转录起始和延伸。

1.3 线粒体DNA参与肿瘤病理生理

1.3.1 肿瘤与线粒体的联系

八十多年前，Warburg发现了实体癌细胞中的“有氧糖酵解”现象。代谢重编程是癌症生物学的标志。线粒体不仅通过OXPHOS提供能量，还是合成代谢的中心枢纽。线粒体功能异常可直接驱动肿瘤的发生、发展和转移。

1.3.2 肿瘤中线粒体DNA突变/拷贝数改变

肿瘤相关的mtDNA突变主要影响复合体I蛋白亚基，驱动糖酵解重编程和ROS介导的转移进展。复合体III基因突变通过增加ROS产生和抗凋亡能力促进肿瘤发生。mtDNA拷贝数（mtDNAcn）的改变表现出癌症类型特异性：膀胱癌、乳腺癌、肝细胞癌等表现为拷贝数减少，而胰腺癌、头颈癌、食管癌等则显示水平升高。

1.3.3 肿瘤中线粒体DNA表观遗传修饰

新兴证据表明表观遗传机制通过多种途径调控mtDNA基因表达。例如，MALAT1可直接结合mtDNA的D-loop区域，抑制CpG岛3的甲基化，促进OXPHOS基因的转录。研究表明，恢复mtDNA拷贝数可显著改变核甲基化和转录组，提示mtDNA与核表观基因组之间存在串扰。

1.3.4 线粒体DNA在肿瘤中调控炎症通路

cGAS/STING通路是癌症生物学中关键的先天免疫监视机制。在肿瘤免疫微环境（TIME）中，cGAS-STING信号具有双重调节作用：一方面，通过激活NK细胞、T细胞、树突状细胞（DCs）和促进巨噬细胞向M1亚型分化，发挥免疫刺激作用和抑制肿瘤生长；另一方面，持续的慢性mtDNA外流可驱动肿瘤免疫抑制，通过增强MDSCs和Treg细胞的免疫抑制活性、促进巨噬细胞向M2亚型分化以及诱导T细胞耗竭和凋亡来加速疾病进展。