《Biogerontology》：Endosymbiotic theory of aging revisited: Age-related leakage of mitochondrial dsDNA/RNA stimulates cytosolic nucleic acid sensors which remodel the immune network and promote the aging process
编辑推荐：
约15–20亿年前，需氧α-变形菌与厌氧古菌细胞发生的内共生事件产生了线粒体，即能够产生氧化能量的细胞器。细菌基因组发生根本性缩减，进化出环状线粒体基因组，主要编码电子传递链亚基相关基因。在内共生事件发生前，病毒与宿主已存在共进化历程，推动了危险病毒DNA/R
约15–20亿年前，需氧α-变形菌与厌氧古菌细胞发生的内共生事件产生了线粒体，即能够产生氧化能量的细胞器。细菌基因组发生根本性缩减，进化出环状线粒体基因组，主要编码电子传递链亚基相关基因。在内共生事件发生前，病毒与宿主已存在共进化历程，推动了危险病毒DNA/RNA分子检测感受器的发育。内共生作用不仅为真核细胞提供了氧化能量工厂以支持更复杂的多细胞生物进化，同时也使细胞内存在一个能够产生活性氧（ROS）并将线粒体DNA（mtDNA）及双链RNA（dsRNA）泄漏至细胞质中的细胞器。现有大量证据表明，在衰老及年龄相关疾病过程中，线粒体倾向于释放mtDNA和dsRNA。胞质中mtDNA/dsRNA分子可激活多种胞质核酸感受器，诱导I型干扰素（IFN）及多种细胞因子分泌，进而促进年龄相关性促炎状态。目前已知mtDNA可激活环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子（cGAS-STING）通路、黑色素瘤缺失因子2（AIM2）炎症小体、干扰素γ诱导蛋白16（IFI16）受体及Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）感受器，此外线粒体dsRNA可激活视黄酸诱导基因I（RIG-I）/黑色素瘤分化相关蛋白5（MDA5）信号。值得注意的是，大量证据显示上述所有受体均为细胞衰老及炎性衰老的驱动因素。数十年来，线粒体在衰老过程中的关键作用不断被证实。研究人员从进化视角审视该问题并提出，线粒体进化创造了mtDNA/dsRNA内源性泄漏来源，其随后激活作为进化保守病毒防御机制的胞质DNA/RNA感受器。这两个进化事件似乎不仅为不可逆的衰老过程奠定了基础，也确保了亲代生物的死亡。
Introduction
内共生事件是真核细胞进化的核心节点，约15–20亿年前需氧α-变形菌与厌氧古菌的融合形成了线粒体，其携带的细菌基因组经大幅缩减重组为环状线粒体基因组，仅保留37个基因，编码呼吸链复合体的13个关键亚基，其余线粒体功能相关蛋白（如三羧酸循环酶）由核基因组编码。线粒体起源的四点核心证据包括：环状dsDNA无组蛋白结合、独立分裂能力、核糖体结构与细菌同源、嵴结构与α-变形菌胞内膜相似、内外膜分别源于细菌膜与宿主内吞囊泡、具备胞外囊泡分泌能力。人类线粒体基因组约16.5 kb，母系遗传，其拷贝数存在显著组织异质性，心脏与骨骼肌中含量最高，不同组织间差异可达50倍，个体间差异超过200倍。线粒体异质性现象随年龄增长显著加剧，mtDNA突变率远高于核基因组，突变累积与衰老及多种疾病密切相关。传统线粒体衰老理论主要包括线粒体自由基理论、mtDNA突变积累、线粒体自噬功能下降、三羧酸循环中间产物调控核基因组表观遗传景观四类，但后续研究证实这些机制并非衰老的核心驱动因素，例如突变体小鼠mtDNA突变率升高但未伴随ROS水平上升，裸鼹鼠组织中高氧化损伤仍可实现长寿命，提示经典理论存在局限性。在内共生事件前，病毒与宿主的共进化已推动胞质核酸感受器的发育，用于识别病原体相关分子模式（PAMPs）。这些感受器不仅能识别病毒核酸，也可识别线粒体泄漏的mtDNA/dsRNA。衰老与细胞衰老过程中，mtDNA/dsRNA经线粒体通道/孔道泄漏至胞质的现象已被广泛验证，泄漏的核酸激活下游信号通路，诱导I型干扰素及促炎细胞因子分泌，形成无菌性炎症反应，构成衰老相关慢性炎症的核心机制。
Endosymbiotic theory of aging
1967年Lynn Margulis提出的线粒体内共生起源理论历经争议后已成为学界共识。线粒体起源于α-变形菌目立克次氏体科，其细菌特征在进化中得以保留。线粒体功能的年龄相关性改变是衰老的核心标志，包括形态碎片化、能量产出下降、mtDNA突变累积、ROS生成增加、线粒体自噬功能受损、膜通透性升高、mtDNA/dsRNA泄漏加剧。轻度线粒体应激可通过线粒体未折叠蛋白反应（mtUPR）与综合应激反应（ISR）诱导线粒体 hormesis效应，延长物种寿命，而Lon蛋白酶P1（LonP1）是该过程的关键调控因子，其表达随衰老及细胞衰老显著下调，导致线粒体蛋白稳态失衡及mtDNA泄漏风险升高。线粒体通透性转换孔（mPTP）的年龄相关性开放是mtDNA泄漏的核心诱因，ROS过量生成与钙超载共同促进mPTP开放，引发线粒体基质水肿，进而导致线粒体外膜（OMM）破裂。除mPTP外，BAK/BAX大孔与gasdermin（GSDM）介导的孔道也是mtDNA/dsRNA泄漏的重要途径，BAX/BAK形成的孔道允许mtDNA泄漏并激活胞质dsDNA感受器，caspase-1激活的GSDM可在内外膜形成孔道，触发mtDNA泄漏及细胞焦亡。线粒体类核结构通过转录因子A（TFAM）的结合维持稳定性，TFAM与mtDNA的交叉链结形成类核复合体，其结合活性随衰老显著下降，TFAM缺乏直接导致mtDNA泄漏。线粒体质量控制机制中，线粒体自噬是清除功能异常线粒体的核心途径，包括泛素依赖的PINK1/Parkin通路与受体驱动的BNIP3/NIX轴，其功能障碍会导致mtDNA泄漏及下游炎症激活。近年发现的核吞噬（nucleoid-phagy）是一种选择性清除泄漏mtDNA的机制，TFAM作为自噬受体通过其LC3相互作用区域（LIR）与LC3B结合，介导泄漏mtDNA的溶酶体降解，该通路功能随衰老减弱进一步加剧胞质mtDNA累积。
Leakage of mtDNA/dsRNA activates cytosolic nucleic acid sensors
病毒威胁推动了模式识别受体（PRR）的进化，目前已发现26种核酸感受器，可分为DNA与RNA感受器两大类，其激活均会诱导I型干扰素及促炎细胞因子分泌。线粒体泄漏的mtDNA/dsRNA可被胞质病毒核酸感受器识别，成为无菌性炎症的核心触发因素。
cGAS-STING pathway
cGAS-STING通路是进化保守的先天免疫防御机制，cGAS识别胞质mtDNA后催化生成环鸟苷酸-腺苷酸（cGAMP），cGAMP激活内质网上的STING蛋白，转运至高尔基体后形成信号平台，通过经典通路激活干扰素调节因子3（IRF3）与核因子-κB（NF-κB），诱导I型干扰素及细胞因子生成；非经典通路则激活NOD样受体家族pyrin结构域包含蛋白3（NLRP3）炎症小体与蛋白激酶R样内质网激酶（PERK）信号。生理状态下cGAS被染色质 sequestrate抑制，核完整性破坏后cGAS经CRM1核输出系统进入胞质，以序列非依赖方式识别mtDNA。cGAMP可作为旁分泌信号分子激活邻近细胞STING通路，参与细胞衰老的扩散效应。cGAS-STING通路与I型干扰素信号存在正反馈环路，干扰素可上调cGAS表达，进一步强化炎症反应。
AIM2 inflammasomes
黑色素瘤缺失因子2（AIM2）是PYHIN家族成员，其HIN结构域通过静电作用结合胞质dsDNA，PYD结构域与衔接蛋白ASC的PYD结构域结合，招募pro-caspase-1形成炎症小体，激活caspase-1并切割IL-1β、IL-18及GSDMD，诱导细胞焦亡。AIM2主要响应胞质mtDNA，其激活可协同ZBP1、Pyrin等感受器驱动PANoptosis（集细胞焦亡、凋亡、坏死性凋亡于一体的炎症性细胞死亡）。
IFI16 sensors
干扰素γ诱导蛋白16（IFI16）是PYHIN家族核质穿梭蛋白，乙酰化后转位至胞质，识别dsDNA后可协同cGAS激活STING-IRF3通路，也可激活AIM2炎症小体，还能通过上调RIG-I转录增强抗病毒应答。IFI16除调控免疫反应外，还参与染色质重塑、基因表达调控、DNA修复、病毒潜伏维持及髓系分化等过程，其通过抑制Sp1转录因子抑制HIV-1转录与LINE-1逆转录转座，通过结合SUV39H1等甲基转移酶调控表观遗传，还可抑制p53、p21及人端粒酶逆转录酶（hTERT）转录，负调控细胞周期。IFI16过度激活可导致DNA双链断裂修复受阻，并与PANoptosome形成相关，参与心血管疾病进展。
ZBP1 sensors
Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）识别左螺旋Z型核酸，线粒体应激（氧化应激、紫外线照射、阿霉素处理）可促进mtDNA从B型向Z型转换，激活ZBP1信号。ZBP1可稳定Z-mtDNA并与cGAS形成复合体，招募受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1/3（RIPK1/3），激活STAT1信号并促进I型干扰素生成。ZBP1/RIPK3复合体是PANoptosis的核心枢纽，可激活NLRP3炎症小体介导GSDMD依赖性细胞焦亡、caspase-3/7依赖性凋亡及混合谱系激酶域样蛋白（MLKL）依赖性坏死性凋亡。I型干扰素通过IRF1上调ZBP1表达，形成正反馈环路放大细胞死亡信号，ADAR1等抑制因子可负调控该通路避免过度炎症损伤。
RIG-I/MDA5 sensors
线粒体双向转录产生的dsRNA可激活胞质RIG-I与MDA5感受器，二者通过CARD结构域与定位于线粒体相关膜（MAM）的线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）结合，激活TBK1/IKKε-IRF3/7通路诱导I型干扰素生成，或通过IKKα/IKKβ-NF-κB通路诱导促炎细胞因子分泌。RIG-I/MDA5信号受泛素化、乙酰化、磷酸化等翻译后修饰精细调控，除抗病毒功能外，还可调控PANoptosis：RIG-I激活caspase-1切割GSDMD诱导细胞焦亡，过度激活时可诱导自噬促进细胞存活，也可经选择性自噬介导自身降解避免过度免疫激活。RIG-I与cGAS-STING通路存在交叉对话，MAVS可与STING信号平台相互作用增强炎症反应。
Cytosolic DNA/RNA sensors as drivers of inflammation and the aging process
胞质核酸感受器是细胞衰老与衰老进程的驱动因素，其激活通过多重机制促进炎性衰老。
cGAS-STING signaling
胞质dsDNA通过cGAS-STING通路诱导细胞衰老的证据已在细胞与组织水平得到验证，mtDNA泄漏是其核心触发因素。cGAS-STING激活可诱导衰老相关分泌表型（SASP），I型干扰素与促炎因子形成正反馈环路维持慢性炎症状态，IRF3还可激活p16INK4a-视网膜母细胞瘤（RB）通路直接诱导细胞周期停滞。抑制mtDNA泄漏或cGAS-STING信号可显著缓解细胞衰老与SASP表型。线粒体自噬功能随衰老下降是mtDNA泄漏的核心诱因，PINK1/Parkin通路缺陷导致功能异常线粒体累积，mtDNA释放激活cGAS-STING通路，该机制在老年巨噬细胞、神经退行性疾病及早衰模型中被广泛证实，靶向线粒体自噬可显著抑制cGAS-STING介导的神经炎症与组织退化。
AIM2 inflammasomes
衰老相关的线粒体功能障碍导致胞质mtDNA累积，直接激活AIM2炎症小体，其通过成熟IL-1β与IL-18维持慢性组织炎症，与cGAS-STING及IFI16的功能形成互补。AIM2的作用具有细胞类型与微环境依赖性：前列腺上皮细胞衰老、银屑病免疫衰老、年龄相关性认知障碍、纳米塑料诱导的皮肤衰老中AIM2激活显著升高；但健康衰老过程中单核细胞AIM2表达下降可能与感染易感性相关，牙龈黏膜中AIM2基础表达维持组织稳态，而牙周炎中AIM2介导的牙龈成纤维细胞衰老加剧炎性衰老。整体而言，AIM2是受精细调控的信号节点，其效应取决于胞质DNA的来源、持续暴露时间及炎症微环境。
IFI16 signaling
IFI16在衰老细胞中显著上调，p53可直接结合IFI16启动子区促进其转录，DNA损伤剂可进一步增强该效应。IFI16敲低可降低SA-β-半乳糖苷酶与p21WAF1表达，延长人成纤维细胞复制寿命，过表达IFI16则抑制端粒酶活性、降低细胞增殖能力并诱导衰老样形态。尽管外周血单个核细胞IFN-γ生成随衰老下降，但组织内T细胞、巨噬细胞及中性粒细胞的克隆扩增导致局部IFN-γ水平升高，通过诱导IFI16表达放大衰老效应。IFI16通过多重机制促进衰老：抑制Sp1介导的表观遗传调控、激活STING与NLRP3炎症小体、抑制hTERT加速端粒损耗、促进细胞外基质重塑与纤维化、驱动PANoptotic细胞死亡，是连接DNA损伤应答与衰老相关病理的核心分子。
ZBP1 signaling
线粒体氧化应激诱导mtDNA损伤并发生B-Z构象转换，生成的Z-mtDNA泄漏至胞质激活ZBP1，通过TBK1/IRF3通路诱导炎症因子分泌，泄漏的Z-mtDNA还可通过细胞外囊泡介导旁分泌效应，扩大衰老细胞群落。ZBP1通过多重通路驱动衰老：激活RIPK3介导的细胞衰老、促进I型干扰素与NLRP3炎症信号、抑制DNA修复过程、诱导PANoptotic细胞死亡，与动脉粥样硬化、神经退行性疾病等多种年龄相关疾病的进展密切相关。ADAR1作为ZBP1的内源性抑制因子，其表达随衰老显著下调，通过SIRT1/p16INK4a通路调控细胞衰老，是ZBP1信号的负调控节点。
RIG-I/MDA5 signaling
线粒体dsRNA泄漏是细胞衰老的核心驱动因素，衰老成纤维细胞中胞质线粒体dsRNA水平显著升高，伴随RIG-I与MDA5的mRNA及蛋白表达上调，外源性线粒体dsRNA转染可直接诱导增殖细胞产生SASP表型。MAVS激活是衰老进程的关键节点，衰老过程中小鼠心脏、肾脏、肝脏及脾脏中RIG-I、MDA5及MAVS表达同步升高，人脑与肝脏衰老组织中上述基因及STING表达均显著上调。线粒体动力学异常调控RIG-I/MDA5信号：Mitofusin 2（MFN2）通过与MAVS相互作用抑制RIG-I/MDA5通路，其表达随骨骼肌衰老下降可能增强下游信号；而衰老成纤维细胞中MFN1抑制可缓解SASP，MFN2抑制则加重炎症表型，提示线粒体融合蛋白在衰老调控中具有功能异质性。抗衰老蛋白Klotho可通过与RIG-I相互作用抑制MAVS介导的信号，下调促炎介质表达，是RIG-I/MDA5通路的内源性负调控因子。
During aging mitochondria turn into saboteurs inside eukaryotic cells
衰老过程中线粒体群体发生结构性及功能性衰退，其核心矛盾在于内共生起源的进化遗留效应。细菌本身存在不对称分裂的衰老模式，子代细胞通过损伤分离实现“ rejuvenation”，而线粒体虽也存在不对称分裂，但损伤 segregation机制尚不明确，且动态融合-分裂网络受细胞氧化还原状态调控，衰老导致的网络失衡加剧了功能异常线粒体的累积。衰老线粒体ROS生成显著增加，电子传递链（ETC）复合物I-III是ROS的主要来源，衰老导致ETC效率下降，反向电子传递（RET）在复合物I的激活进一步升高ROS水平，长寿命物种的线粒体ROS生成率更低，提示ROS调控在寿命决定中的作用。细菌衰老同样伴随ROS升高、代谢废物聚集及能量代谢通路衰退，与哺乳动物细胞衰老存在进化同源性。内共生事件后线粒体ETC发生适应性改造，而肠道菌群作为庞大的细菌群落，其年龄相关性失调通过调控宿主免疫显著影响衰老进程。从进化视角看，病毒与宿主的共进化早于内共生事件，胞质核酸感受器在细菌内共生前已存在，内共生在为宿主提供氧化能量工厂的同时，也引入了mtDNA/dsRNA泄漏触发炎症的内在风险。亲代生物死亡为子代腾出生态位，内共生创造的线粒体衰老驱动机制恰好满足了这一进化需求，从分子层面回答了“我们为何衰老”的核心问题。
Conclusions
线粒体在衰老中的核心作用历经数十年探讨，经典理论因无法解释衰老的核心驱动机制存在局限。内共生衰老理论从进化视角提供了统一框架：内共生前病毒与宿主的共进化已建立胞质核酸感受器防御体系，内共生后线粒体成为mtDNA/dsRNA的内源性泄漏源，泄漏的核酸激活胞质感受器，诱导I型干扰素及促炎因子分泌，形成衰老相关慢性炎症。I型干扰素刺激基因（ISG）在老年组织中的广泛富集证实了该通路的核心地位，其通过诱导细胞衰老、驱动早衰表型、重塑免疫网络参与衰老进程。线粒体从能量工厂向“细胞内破坏者”的转变，既是内共生的进化遗留结果，也是多细胞生物世代更替的必然机制，为理解衰老的起源与干预提供了全新视角。
