广州医科大学冯杜团队发现mtDNA 释放和下游炎症反应的调控新机制

线粒体在免疫中起着重要作用，其内含物可作为炎症反应的有效激动剂，其中最显著的便是线粒体DNA（mtDNA）。此前的研究表明mtDNA释放到细胞质中会引发固有免疫应答和炎症反应，但mtDNA从线粒体释放到细胞质中的确切机制尚不清楚。

2022年10月17日，广州医科大学冯杜团队在 EMBO Journal（IF=14）在线发表题为“Prohibitin 1 regulates mtDNA release and downstream inflammatory responses”的研究论文，该研究揭示了线粒体内膜蛋白抑制素 1 （PHB1）是调节线粒体DNA 释放和下游炎症反应的关键因素。

在机制上，该研究证明了生理条件下线粒体内膜蛋白PHB1是通过与线粒体膜蛋白AFG3L2和SPG7的结合来抑制mtDNA释放和炎症反应，而炎症应激则会增强AFG3L2与SPG7之间的相互作用，促进线粒体通透性转换孔（mPTP）打开，从而释放mtDNA与激活下游炎症反应。

线粒体DNA（mtDNA）暴露于胞浆会激活先天免疫反应。当mtDNA暴露于细胞溶质时，两条主要的DNA传感信号通路将被激活：1）是干扰素基因蛋白的环状GMP-AMP合成酶刺激物通路（cGAS-STING）；2）是炎症小体通路。在cGAS-STING通路中，暴露于胞浆的双链DNA将与cGAS结合，进而激活STING，随后导致TANK结合激酶1（TBK1）和IFN调节因子3（IRF3）的磷酸化，最后促进I型干扰素的表达分泌。

在炎症小体途径中，NOD、LRR以及NOD样受体家族Pyrin域蛋白3（NLRP3）等模式识别受体在病原体相关分子模式（PAMP）或损伤相关分子模式的刺激下，则会发生寡聚化并结合衔接分子ASC和效应分子caspase-1前体（pro-caspase-1）。随后，pro-caspase-1被切割成成熟形式的caspase-1，其进一步切割pro-IL-1β和Gasdermin D，从而促进促炎过程和焦亡发生。已知mtDNA释放是炎症反应所必需的，因此明确mtDNA是如何从线粒体释放到细胞质中的机制是非常有必要的。

线粒体外膜和内膜通透性的紊乱（MOMP和MIMP）是mtDNA释放的主要原因。大量研究表明mtDNA通过线粒体外膜流出的机制涉及到电压依赖性阴离子通道（VDAC）寡聚物、BCL2拮抗剂/杀伤剂以及凋亡调节因子（BAK/BAX）大孔等。在MOMP（外膜）转变后，在缺乏线粒体内切酶G的细胞中，短的mtDNA片段可直接通过VDAC寡聚体释放到胞浆中。在细胞凋亡期间，mtDNA则通过BAK/BAX大孔释放到胞浆中。然而，MIMP（内膜）释放mtDNA的明确机制仍有待阐明。在线粒体内膜上，一些蛋白质有助于线粒体通透性转换孔（mPTP）的形成和开放，研究表明mPTP参与了mtDNA释放，进而触发了炎症反应，但调节mPTP开放以释放mtDNA的特定蛋白仍不清楚。

图1 生理条件下与炎症应激条件下mtDNA释放的调控机制（图源自EMBO Journal ）

据报道，位于线粒体内膜中的几种蛋白质是mPTP的组成部分，并参与调节MIMP。其中包括腺嘌呤核苷酸转移酶（ANT）、F1Fo ATP合成酶以及痉挛性截瘫7蛋白（SPG7），这些因素被认为是mPTP开放所必需的，从而调节细胞质和线粒体基质之间的离子运输。然而，目前尚不清楚这些因素是如何调节MIMP并促进线粒体内膜释放mtDNA。

抑制素1（PHB1）位于线粒体内膜，并与PHB2相互作用。其由12至16个异二聚体形成环状复合体，以维持线粒体结构和功能。此前，Kasashima等人 报道PHB1的缺失会损伤线粒体的类核结构（mtDNA/蛋白质复合物），并降低关键的核成分线粒体转录因子A（TFAM）的水平。因此，研究者推测PHB1可能是线粒体类核的成分。此外，已有报道指出PHB1缺乏会促进炎症发生并增加对肝损伤的敏感性。肠上皮细胞缺失PHB1的小鼠表现出自发性回肠炎症。因此，PHB1、mtDNA释放和炎症之间的机制有待进一步揭示。

图2 PHB1 的敲低促进 mPTP 依赖性的 mtDNA 释放（图源自EMBO Journal ）

m-AAA蛋白酶复合物与AFG3样蛋白2（AFG3L2）和SPG7以异六聚体形式组装，或仅与AFG3L2以同六聚体的形式组装。SPG7（mPTP的潜在调节因子）的敲除则会显著影响线粒体向胞浆的离子流出。此外，SPG7可与mPTP的重要成分（亲环蛋白D）相互作用，且PHB1可负性调节m-AAA蛋白酶复合物的蛋白水解活性，以介导线粒体蛋白的降解。基于此，研究人员提出了PHB1可能通过调节SPG7-CYPD依赖性的mPTP开放来促进mtDNA释放。

该研究发现PHB1通过调节线粒体内膜的通透性在 mtDNA 释放中起着关键作用（图2）。PHB1的缺失导致线粒体完整性和功能的改变。PHB1缺陷型巨噬细胞、骨髓特异性PHB1 敲除(Phb1MyeKO)小鼠的血清和新生儿败血症患者的外周血单核细胞表现出IL-1β水平升高。PHB1 KO小鼠也表现为不耐受脂多糖休克。PHB1耗尽的巨噬细胞则显示出mtDNA细胞质释放和炎症反应的增加，且该过程可被环孢菌素A和VBIT-4通过抑制mPTP开放和VDAC寡聚化所抑制。

原文链接：

https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2022111173?saml_referrer

转自：“iNature”微信公众号

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