综述：线粒体作为先天免疫途径的汇聚枢纽

《Communications Biology》：Mitochondria as convergence hubs for innate immunity pathways

　　

线粒体已成为通过主动释放损伤相关分子模式（DAMPs）来整合先天免疫信号的核心平台。在应激或感染条件下，这些线粒体来源的分子信号精确调控cGAS-STING信号、NLRP3炎症小体和线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）依赖性抗病毒途径的激活，动态耦合细胞代谢状态与免疫应答。近期研究揭示，线粒体在宿主防御、炎症调节和自身免疫中兼具生物能量发生器与先天免疫信号枢纽的双重功能。加深对线粒体如何协同整合生物能量学、氧化还原稳态和模式识别机制的理解，将为免疫疾病开拓新的治疗途径。

引言

先天免疫依赖于模式识别受体（PRRs）快速识别病原体相关分子模式（PAMPs）或损伤相关分子模式（DAMPs）。传统观点将免疫信号起始局限于细胞质或内膜系统，但过去二十年的研究已确立线粒体为关键平台，参与炎症小体激活和抗病毒免疫等核心过程。线粒体不仅是能量代谢的中枢，还深度参与钙稳态、活性氧（ROS）产生及氧化还原稳态。此外，其内共生起源保留了环状线粒体DNA（mtDNA）和未甲基化CpG序列等分子，这些分子被免疫系统识别为“非我”，并可被多种PRRs识别。当稳态破坏时，线粒体释放mtDNA和心磷脂等DAMP，激活cGAS-STING、NLRP3炎症小体、Toll样受体9（TLR9）信号以及线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）依赖性通路，使线粒体成为整合、放大并协调先天免疫信号的主动“汇聚枢纽”。

线粒体代谢与动力学在免疫调控中的作用

代谢重编程驱动免疫细胞命运
免疫激活伴随代谢重编程，线粒体在此过程中提供能量并调控氧化还原状态。以巨噬细胞为例，M1促炎型巨噬细胞依赖糖酵解快速供能，同时中断三羧酸循环，导致琥珀酸积累，这一现象称为Warburg效应（有氧糖酵解）。而M2抗炎型巨噬细胞依赖完整的线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）。研究表明，琥珀酸通过抑制脯氨酰羟化酶（PHD）稳定缺氧诱导因子1-α（HIF-1α_α），从而促进白细胞介素（IL）-1β_β等促炎因子的转录。丙酮酸激酶M2（PKM2）是该通路的关键调控因子，与HIF-1α_α形成复合物，增强其与IL-1β_β启动子的结合，同时促进IL-10产生，协调巨噬细胞激活并拮抗炎症反应。此外，Rab32介导的线粒体微自噬直接降解线粒体，促进巨噬细胞向糖酵解代谢转变，进而支持并放大炎症反应。该过程不依赖于大自噬或转运所需内体分选复合物（ESCRT）机制，而是由Rab32 GTP酶、磷脂酰肌醇3,5-二磷酸、泛素化及p62/SQSTM1共同介导。

线粒体动力学在免疫调控中的作用
线粒体分裂与融合的动态平衡关键性地调控免疫细胞代谢、炎症信号和抗原呈递，从而塑造先天免疫。线粒体分裂由发动蛋白相关蛋白1（Drp1）的募集驱动，该过程通过受体间的协调相互作用进行调控。具体而言，线粒体延伸因子（MIEF）1/2（MiD51/49）作为重要衔接因子，将Drp1和线粒体分裂因子（Mff）连接成三聚体复合物。MIEF作为调控因子，低至中等水平促进分裂，而高水平可能隔离Drp1导致线粒体伸长。这种精确的分子平衡直接影响免疫信号。在巨噬细胞中，Drp1的募集（由磷酸甘油酸变位酶家族成员5（PGAM5）等衔接因子促进或经泛素特异性肽酶16（USP16）去泛素化）对随后IL-1β_β和TNF-α_α的释放或NLRP3炎症小体激活至关重要。相反，融合机制（特别是线粒体融合蛋白线粒体融合蛋白2（MFN2）和视神经萎缩蛋白1（OPA1））通过维持三羧酸循环通量和OXPHOS的代谢可塑性对线粒体完整性不可或缺。在感染或炎症刺激下，MFN2从稳态稳定剂转变为促炎介质，支持HIF-1α_α驱动的糖酵解，并受线粒体泛素连接酶1（Mul1）调控以维持必要的内质网（ER）-线粒体接触。由OPA1协调的线粒体动态融合-分裂周期对维持嵴结构和高效OXPHOS至关重要。OPA1缺乏会损害核呼吸因子1（NRF1）依赖的OXPHOS，从而破坏电子传递链复合物组装和ATP合成。这些线粒体缺陷最终导致主要组织相容性复合体I类（MHC-I）的溶酶体降解和抗原交叉呈递受损。因此，线粒体动力学的精细平衡作为中心枢纽，决定先天免疫应答的结果。

线粒体在抗病毒免疫中的作用
线粒体上MAVS介导的信号是调控病毒免疫的核心通路。病毒感染时，病毒核酸作为PAMP的关键组分，通过细胞质维甲酸诱导基因I（RIG-I）样受体（RLR）信号通路（包括RIG-I和黑色素瘤分化相关蛋白5（MDA5）受体）被识别，从而触发宿主抵抗。随后，线粒体外膜上的MAVS寡聚化并招募下游因子激活TANK结合激酶1（TBK1）/核因子kappa-B激酶亚基ε抑制剂（IKKε_ε）复合物，导致干扰素调节因子3（IRF3）磷酸化并诱导I型干扰素（IFN-I）产生。然而，近期研究揭示了一条非经典通路：细胞RNA可不依赖RIG-I或MDA5直接调控MAVS信号复合物。MAVS通过其中央无序结构域（氨基酸103-467）直接与细胞mRNA的3‘非翻译区（3’ UTRs）相互作用，从而激活下游通路并诱导抗病毒活性。多项研究探索了调控病毒复制和抗病毒免疫应答的机制：作为胆固醇稳态的协调者，miRNA-33/33*通过AMP活化蛋白激酶（AMPK）依赖性机制抑制线粒体自噬，从而抑制MAVS激活，最终减弱RIG-I信号，影响抗病毒免疫。除在线粒体分裂中发挥作用外，Mff还独立作为MAVS激活剂启动抗病毒应答；这两种功能在分子层面截然不同且受不同调控机制支配。活化的AMPK磷酸化Mff，从而降低其促进MAVS聚集的能力并减弱抗病毒信号。尽管抗病毒免疫常围绕MAVS讨论，但DNA病毒也可直接激活cGAS。近期工作表明，在单纯疱疹病毒1型（HSV-1）感染时，核cGAS从染色质释放至核可溶部分，直接感知病毒DNA并产生cGAMP以限制病毒复制。类似地，HSV-1泛素连接酶ICP0和巨细胞病毒IE1蛋白被发现通过扰乱着丝粒完整性并诱导着丝粒DNA扩增来触发核cGAS激活。因此，病毒DNA直接激活cGAS是一条关键的、MAVS独立的通路，补充了以线粒体为中心的免疫感知。然而，病毒已进化出多种策略来破坏线粒体介导的免疫通路，禁用这一中枢枢纽使多种病毒能够瘫痪宿主的先天防御网络。

线粒体驱动炎症小体激活
线粒体通过整合的结构-功能改变、代谢重编程和质量控制机制精确调控炎症小体激活。作为研究最深入的炎症小体，NLRP3依赖线粒体紊乱（将结构崩解和代谢失败联系起来）来触发激活，作为感知细胞应激的前提条件。多种NLRP3激活剂（如尼日利亚菌素）通过抑制OXPHOS破坏线粒体嵴结构并减少ATP产生。然而，与嵴破坏促进细胞色素c释放的传统观点相反，近期研究揭示尼日利亚菌素并非简单破坏嵴，而是诱导嵴连接关闭，将细胞色素c困于嵴腔内并抑制凋亡。这种ATP抑制提供了一种“线粒体信号”，需要第二信号（如咪唑啉类药物诱导的NLRP3向内体/高尔基体聚集，或Piezo-1通道激活剂Yoda-1诱导的钾离子外流）来激活炎症小体。这种双信号机制确保了细胞在凋亡和焦亡之间的精确选择。值得注意的是，线粒体损伤作为普遍事件，也激活NLRP10和AIM2。NLRP10直接感知损伤并招募含CARD的凋亡相关斑点样蛋白（ASC）形成与线粒体共定位的斑点，而释放的mtDNA被AIM2识别。因此，单个mtDNA分子是否同时接触不同传感器，还是由细胞类型、刺激物和亚细胞定位决定选择性，仍有待解决。与AIM2直接结合双链DNA不同，mtDNA在NLRP3激活中的确切作用仍存在争议。近期研究表明，野生型NLRP3以高亲和力结合非氧化mtDNA（IC₅₀~4.8 nM），但与氧化mtDNA（ox-mtDNA）的结合弱得多（IC₅₀~247 nM），这挑战了只有ox-mtDNA作为激活配体的观点。因此，当前争论集中于氧化是作为关键开关还是仅调节NLRP3的内在DNA结合能力。此外，NLRP3在mtDNA感知中是否具有冗余功能取决于衔接因子、空间区隔或信号阈值等未定义的环境。来自线粒体功能障碍的DAMP放大炎症。线粒体活性氧（mtROS）和ox-mtDNA将代谢重编程与炎症反应耦合。在促炎巨噬细胞中，脂多糖（LPS）诱导的琥珀酸积累驱动电子传递链复合物I处的反向电子传递（RET），高效生成超氧化物，直接调控NLRP3激活期间IL-1β_β的释放。值得注意的是，NLRP3激活剂触发线粒体功能障碍和ROS爆发，导致线粒体膜损伤、OXPHOS抑制以及ox-mtDNA的产生和释放，从而为炎症放大创造条件。因此，mtROS和ox-mtDNA形成了连接上游代谢信号与下游炎症输出的分子桥。然而，mtROS功能具有双重性：复合物III生成的超氧化物对TLR刺激后巨噬细胞抗炎IL-10的分泌也至关重要。为防止过度炎症，线粒体自噬发挥关键的负调控作用。由含PH结构域、PTB结构域和亮氨酸拉链基序1（APPL1）-Rab5轴介导的早期内体依赖性线粒体自噬通过清除受损线粒体抑制NLRP3过度激活，从而阻止ROS和ox-mtDNA积累。造血细胞特异性APPL1缺失加剧脓毒症、肥胖相关炎症和葡萄糖代谢紊乱，并伴随全身IL-1β_β水平升高。转录因子MafB维持p62表达以促进线粒体自噬，特异性抑制NLRP3而不影响NLRP1、NLRC4或AIM2。临床前证据表明诱导MafB可减弱NLRP3活性，提示上游转录调控是一种潜在策略。近期一个有趣的发现表明，在焦亡过程中，活化的Gasdermin D N端（GSDMD-NT）通过线粒体外膜上的心磷脂外化穿透线粒体内外膜，破坏呼吸作用、触发ROS爆发并释放mtDNA。这种双膜破坏指GSDMD-NT在线粒体外膜和内膜形成孔道，导致膜间隙蛋白（如细胞色素c）和基质内容物（如乌头酸酶2和mtDNA）释放，从而将焦亡与凋亡区分开来。线粒体损伤作为IL-1β_β分泌检查点：阻断它（如通过Crls1或Plscr3敲除）即使GSDMD被切割也会取消IL-1β_β释放，建立正反馈环路。尽管如此，为何相同的线粒体信号激活多种炎症小体，而mtDNA或其他DAMP有时表现出对AIM2或NLRP3的特异性，仍不清楚；解决这一问题将有助于阐明线粒体炎症背后的先天免疫调控机制。

mtDNA泄漏与cGAS-STING激活
作为关键DAMP，mtDNA泄漏通过激活胞质DNA感知cGAS-STING通路将线粒体功能障碍转化为系统性炎症反应。mtDNA泄漏由多种机制组成的应激网络介导。线粒体通透性转换孔（mPTP）的开放代表一条直接通路，在氧化应激等病理条件下破坏膜屏障，促进mtDNA直接释放。在放射性脑损伤中，过量ROS导致mPTP持续开放，触发大量mtDNA释放并伴随嵴破坏。除mPTP外，BCL2相关X蛋白（BAX）介导另一条通路：在LPS刺激下，BAX转位至线粒体外膜并增加其通透性以促进mtDNA泄漏。释放至胞质的mtDNA进一步激活cGAS-STING通路并放大炎症信号。

通过线粒体实现的PRR通路交叉串扰
线粒体损伤信号，特别是mtDNA和mtROS，作为中心协调者同时调控AIM2、NLRP3、cGAS-STING和Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）通路。它们的相互连接交叉串扰形成自我放大的炎症回路，急剧升级免疫应答。TLR9识别mtDNA CpG基序通过p38/细胞外信号调节激酶（ERK）磷酸化促进中性粒细胞胞外陷阱（NETs）形成，进一步放大该过程。在NETs的双链DNA内化后，AIM2与pyrin和ZBP1结合，形成AIM2-PANoptosome，同时激活GSDMD、caspase-3和磷酸化混合谱系激酶结构域样蛋白（p-MLKL），触发PANoptosis。除线粒体固有信号外，线粒体应激与内质网应激反应的整合代表一个关键调控层次。cGAS-STING通路不仅提供炎症的“许可信号”，还充当ER稳态的变阻器。激活后，STING直接结合并激活蛋白激酶R（PKR）样内质网激酶（PERK），导致真核起始因子2α_α亚基（eIF2α_α）磷酸化。该过程独立于STING从ER到高尔基体的转位，且不同于经典未折叠蛋白反应（UPR），因为不涉及肌醇需求酶1α_α（IRE1α_α）—X盒结合蛋白1剪接形式（XBP1s）或激活转录因子6（ATF6）分支。具体而言，IRE1α_α在线粒体相关膜（MAMs）处作为结构支架调控ER到线粒体的Ca²⁺转移，其RNase结构域的激活促进促炎细胞因子产生。这一线粒体-ER轴进一步由ZBP1加强，ZBP1与cGAS形成DNA依赖性复合物，通过ZBP1的RIP同型相互作用基序（RHIM）结构域招募受体相互作用蛋白激酶（RIPK）1/3以增强信号转导与转录激活因子1（STAT1）Ser727磷酸化并维持IFN-I应答。此外，线粒体-溶酶体轴揭示了一种间接mtDNA释放机制。线粒体E3酶线粒体锚定蛋白连接酶（MAPL）介导含mtDNA的线粒体衍生囊泡（MDVs）靶向溶酶体，在那里激活caspase-3/7切割GSDME。GSDME的N端结构域在溶酶体膜上形成孔道，允许mtDNA进入胞质。这激活cGAS-STING并进一步促进NLRP3炎症小体组装，最终通过caspase-1切割GSDMD触发焦亡。mtROS对蛋白质的特异性修饰精确调控信号网络。mtROS通过Cys⁵⁴和Cys³⁴⁷形成的二硫键诱导NF-κB必需调节剂（NEMO）的分子间共价连接，这对抑制剂核因子kappa-B激酶（IKK）复合物激活以及随后通过ERK1/2和NF-κB通路导致促炎细胞因子分泌的信号传导至关重要。同时，mtROS促进硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）从硫氧还蛋白解离，使TXNIP能够结合并激活NLRP3，从而驱动炎症小体组装和焦亡。值得注意的是，新出现证据表明，线粒体可通过非经典、caspase非依赖性机制启动细胞死亡。其中一条通路是最近鉴定的一种溶解性细胞死亡形式，不同于焦亡、PANoptosis和坏死性凋亡。在BAX/BCL2拮抗剂/杀伤因子1（BAK1）/BH3相互作用结构域死亡激动剂（BID）依赖性下，线粒体经历氧化应激并与质膜保持持续接触，触发局部氧化损伤，此过程称为“mitoxyperiosis”，进而导致膜裂解和细胞死亡，称为“mitoxyperilysis”。该细胞死亡通路受雷帕霉素复合物2（mTORC2）机械靶点调控，而mTOR抑制可恢复细胞骨架活性，使线粒体脱离质膜，从而保持膜完整性。体内实验表明，激活该通路以mTORC2依赖性方式促进肿瘤消退。

线粒体-免疫相互作用在疾病与治疗中的意义
异常的线粒体功能在多种自身免疫和慢性炎症疾病中起重要作用。在系统性红斑狼疮（SLE）中，mtDNA释放被认为是免疫系统过度激活的关键驱动因素。一项SLE研究表明，ox-mtDNA直接与GSDMD-N相互作用，促进其寡聚化和膜孔形成，从而放大焦亡和mtDNA泄漏。中性粒细胞特异性敲除或抑制GSDMD可减轻疾病表型，提示ox-mtDNA-GSDMD轴是病理正反馈环路的关键组分。然而，ox-mtDNA触发GSDMD激活和下游信号的确切受体或传感器（如NLRP3、cGAS）尚未完全明确。此外，SLE初始事件中ox-mtDNA如何大量产生和释放也未充分解决。显著线粒体氧化损伤和随后膜通透化的“第一波”主要驱动因素也未被确定。一些靶向线粒体的干预措施已在临床前模型中探索。例如，骨架蛋白巢蛋白被报道增强线粒体自噬并调节mtROS产生，从而促进nephrin表达和磷酸化以保护足细胞免受损伤，在狼疮肾炎小鼠模型中改善了蛋白尿。此类策略是否可干预SLE中的ox-mtDNA-GSDMD环路仍有待验证。除急性焦亡外，慢性线粒体功能障碍可能持续改变免疫记忆细胞分化和功能，可能促成自身免疫状态的复发-缓解病程和长期自身抗体持续存在。因此，研究持续性线粒体损伤如何影响记忆T细胞和B细胞的维持及再次应答，可能为免疫功能障碍的病理生理学提供关键见解。近期，线粒体移植在某些疾病模型中显示出益处。线粒体功能障碍已被证明与 Cerebellar 神经退行性疾病相关。在Drp1敲除诱导的小脑变性模型中，将健康肝线粒体立体定向移植至小脑可短暂改善细胞线粒体膜电位、ATP合成和呼吸链复合物活性，同时下调PTEN诱导的假定激酶1（PINK1）-Parkin介导的过度线粒体自噬和caspase-3依赖性凋亡，最终减轻共济失调。在特发性炎性肌病（IIM）中，ox-mtDNA激活IFN-I通路驱动疾病发病机制。来自人脐带间充质干细胞（MSC）的线粒体（PN-101）被报道可改善线粒体功能障碍并减轻肌炎严重程度。此外，线粒体被认为是调节年龄相关免疫变化的潜在靶点。在涉及中老年人的临床试验中，补充线粒体自噬激活剂尿石素A（UA）与自然杀伤（NK）细胞和非经典单核细胞比例增加以及吞噬能力增强相关联。此外，UA通过增强线粒体自噬改善免疫功能，可能对抗与年龄相关的免疫衰退（以幼稚T细胞减少和慢性低度炎症为特征）。另一项试验报告长期补充UA与通过调节线粒体效率和线粒体自噬改善肌肉力量和有氧耐力相关，同时减少炎症。这些发现提示线粒体自噬与衰老过程中免疫或肌肉功能之间的可能联系，但因果关系仍有待确定。在肿瘤免疫治疗中，具高mtDNA水平的肿瘤细胞表现出对CD8⁺ T细胞的抵抗并易于免疫逃逸。开发的mitoNIDs（基于金纳米颗粒的双靶向纳米系统）促进线粒体与自噬相关蛋白LC3的接近，从而通过自噬途径诱导线粒体降解。纳米佐剂（如合成蛋白聚集体）通过增加线粒体膜通透性以促进mtDNA泄漏，从而激活cGAS-STING通路，促进IFN-I产生，并最终诱导强效抗原特异性细胞毒性T淋巴细胞（CTL）应答和肿瘤消退，从而增强树突状细胞（DC）成熟和CD8⁺依赖性免疫。此外，工程化线粒体被探索作为潜在疫苗载体递送肿瘤抗原。在小鼠模型中，其富含的磷脂酰丝氨酸激活DC上的TLR2通路，从而促进DC成熟、增强CTL应答并与抗PD-1治疗协同。另外，抑制异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）被报道通过损害线粒体功能使胰腺癌细胞对化疗药物敏感，因为IDH1衍生的α_α-酮戊二酸支持三羧酸循环回补和OXPHOS。总体而言，这些以线粒体为中心的策略（从诱导线粒体自噬和激活cGAS-STING到作为疫苗载体和破坏代谢支持）突出了靶向线粒体生物学在癌症中的广泛治疗潜力。虽然这些策略在临床前环境中显示出前景，但其临床实用性和安全性需进一步验证。

结论
线粒体作为关键信号平台整合和调控先天免疫，其功能超越了代谢，通过代谢重编程、ROS动力学和DAMP释放积极塑造免疫应答。该细胞器上免疫通路间的交叉串扰构成一个精细调控的网络，其失调是多种炎症性疾病的基础。未来研究应优先开发用于体内实时、亚细胞器水平线粒体DAMP释放的创新工具，以及设计线粒体靶向的光遗传学或化学遗传学工具以时间精度操控特定信号节点。同时应致力于探索诱导或抑制线粒体自噬的小分子作为免疫调节剂，以及在线粒体移植和工程化线粒体作为活体治疗药物方面推进，并进行严格的安全性和有效性验证。揭示线粒体-免疫轴的环境特异性正在推动治疗创新，对其关键节点的靶向调控正成为治疗感染、自身免疫和慢性炎症的有前景策略。