Nature Immunology | 线粒体是免疫的核心
在过去的很多年中，人们一直在研究线粒体是如何起源的，其中最有名、被绝大部分人认可的假说便是线粒体内共生假说。该假说认为早期的一种厌氧古细菌可以利用氧气产生更多能量，当其被细胞吞噬并经过演化后，二者逐渐形成内共生系统：细胞借助古细菌的有氧呼吸产生更多能量，而古细菌则获得了一个安全且富有营养的环境。这一仅次于生命起源的最重要的进化事件应该是很多重要的免疫进化的开始（作者自己的观点）。
越来越多的研究表明，线粒体不仅是人体能量中心，也是免疫的调控中心。
线粒体存在于细胞质中，拥有较为独立的一套信号系统，包括线粒体DNA（mitochondria DNA，mtDNA）、蛋白、核酸、磷脂、代谢物和活性氧等，很大程度上由于线粒体的细菌起源，这些线粒体的信号跟细菌类似，已被发现可以激活不同的免疫信号通路。Trinity College Dublin的Evanna Mills、Luke O'Neil和Max Planck免疫生物学和表观遗传学研究所的Beth Kelly 2017年在Nature immunology杂志上发表了题为“Mitochondria are the powerhouses of immunity”的综述性文章，该文章总结了不同线粒体成分激活多种免疫信号通路，并提出针对线粒体的治疗手段或是免疫及炎症疾病的治疗靶点。虽然文章比较久，但是很多机制方面的东西讲的比较全面，介绍如下（请结合本公众号以前一篇推文：线粒体是非感染炎症的主要起源）。
1. mtDNA激活先天免疫信号通路
mtDNA是一个包含大量CpG岛的环状DNA，当它从线粒体被释放到细胞质后，其CpG岛的结构可以被Toll-like-receptor 9（TLR 9）识别，激活NF-κB信号通路，使TNF α、IL 6等促炎基因表达升高。同时，mtDNA可以直接激活NLRP3炎症小体，继而激活caspase-1信号通路，促进IL1β和IL 18等促炎细胞因子的释放。此外，mtDNA还可以激活cGAS-STING信号通路，使其下游IRF3诱导的I型干扰素基因表达上调。因此，线粒体可以通过将mtDNA释放到胞质内的这一途径激活细胞的先天免疫反应，吹响免疫战争的号角。
2. 线粒体是先天免疫信号的平台
线粒体抗病毒蛋白MAVS主要定位于线粒体外膜上，当病毒RNA感受器RIG-I和MDA5识别到细胞内的病毒信号后可激活MAVS蛋白的寡聚化，激活调控转录因子NF-κB和IFRs的通路来促进基因表达，发挥抗病毒作用。线粒体活性氧（mtROS）可直接激活MAVS的寡聚化，诱导I型干扰素的产生，这一途径不依赖于病毒RNA的识别就能发挥促进宿主防御的作用。在上述过程中，MAVS与线粒体外膜的相互作用对其功能的发挥十分重要。同时，MAVS直接促进NLRP3的组装，继而激活下游的caspase-1通路。NLRP3信号通路的激活也会导致线粒体的损伤和线粒体活性氧（mtROS）的产生，而线粒体内膜去极化后心磷脂的暴露又可以招募NLRP3。线粒体参与了多种主要的先天免疫信号通路，因此被称作先天免疫信号的平台（图1）。
图1 线粒体是先天免疫的信号平台
3. 线粒体ROS可调控适应性免疫细胞的激活
在M1巨噬细胞和效应T细胞中，线粒体功能产生的活性氧（mtROS）可直接参与抗菌作用，并驱动炎症细胞因子进行信号传递。此外，T细胞的激活可以诱导mtROS的产量迅速增加，而抑制mtROS后可阻止T细胞表达IL 2。在被抗原激活的B细胞中，mtROS诱导体细胞的高突变使其抗原受体多样化，并表达特殊类型的免疫球蛋白，起到活化B细胞信号的作用。综上所述，多项研究表明T和B细胞需要mtROS来产生适当的免疫反应。
4. 线粒体的代谢反应及相关代谢物在免疫应答中影响深远
OXPHOS
线粒体的主要功能是通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP供给能量，在脂多糖（LPS）激活的巨噬细胞中，OXPHOS降低，糖酵解增加，供能的ATP虽减少，但线粒体被重新利用产生mtROS，而mtROS是复合物I产生适当免疫反应所需的信号分子，并且LPS处理的巨噬细胞需要糖酵解和复合物I活性来产生适当的免疫反应。在免疫这场战争中，巨噬细胞是抵御外源入侵病原体的关键分子，可分为两种类型：M1型（经典活化，也被称作炎症型）和M2型（替代活化，也被称作抗炎型）。M1巨噬细胞在清除微生物感染中起重要作用，且更具炎症性；M2巨噬细胞在调节炎症和组织修复中发挥作用。巨噬细胞的代谢从OXPHOS向有氧糖酵解的转变是激活巨噬细胞的必要条件。
Succinate & itaconate
此外，线粒体代谢反应中中间产物也具有炎症调节的作用。在三羧酸循环（TCA循坏，也称作柠檬酸循环或Krebs循环）中，琥珀酸脱氢酶（SDH）将琥珀酸转化为富马酸，这一过程的中断使具有促炎活性的琥珀酸（succinate）累积，而另一种代谢物乌头酸脱羧产生的衣康酸盐（itaconate）则可抑制SDH活性，调节巨噬细胞的促炎反应：巨噬细胞经过itaconate预处理后，IL1β、IL6、IL12的表达均下调。Itaconate还可以抑制肠链球菌、结核分枝杆菌和嗜肺军团菌的生长，具有抗炎和抗菌的双重作用（图2）。
图2 柠檬酸和衣康酸是炎症和抗菌宿主防御的关键调节因子
Citrate
TCA循环中异柠檬酸脱氢酶的活性下降导致itaconate积累的同时产生了大量柠檬酸（citrate），其累积可驱动M1巨噬细胞的炎症反应（图2）。Citrate一旦进入细胞质即被裂解为乙酰辅酶A和草酰乙酸，其在线粒体至细胞质中的穿梭依赖于线粒体柠檬酸载体（CIC）。此外，citrate也是脂肪酸合成的必须原料，而脂肪酸的合成不仅对细胞生长和增殖至关重要，还参与树突状细胞（DCs）的激活和促炎介质的产生。同时，脂肪酸的合成还参与调节NLRP3介导的caspase-1的激活和巨噬细胞中IL1β和IL 18的产生。不仅如此，citrate在醋酸盐促进T cell产生IFN γ的过程中也发挥重要作用。外源乙酸酯有助于citrate和乙酰辅酶A产生，而乙酰辅酶A可在Lys217处乙酰化GAPDH，未乙酰化的GAPDH通过结合IFN γ的 mRNA抑制其翻译为蛋白，但乙酰化后的GAPDH丧失这一功能，故IFN-γ表达量增加。
α-KG
α-KG是TCA循环中的另一种代谢物，由异柠檬酸氧化脱羧产生，是一些染色质修饰酶（如组蛋白去甲基化酶JMJDs）的必需底物，而琥珀酸则可抑制染色质修饰酶的活性，因此α-KG与琥珀酸的比例可调控JMJDs等酶的活性继而实现对于表观基因组的调控。特定基因在表观基因组的代谢调控使先天免疫细胞获得免疫记忆，这一调控过程为先天免疫和获得性免疫搭建了桥梁。
FAO
在线粒体中，脂肪酸氧化（FAO）途径将脂肪酸分解为乙酰辅酶A、NADH和FADH2，上述分解物均可进入TCA循环和OXPHOS。FAO的限速步骤是脂肪酸和肉碱在CPT1的作用下结合，在M2巨噬细胞中，FAO受PGC 1β或AMPK的调控增加，但抑制CPT1后即可抑制M2巨噬细胞中FAO的曾加，同时限制了M2中IL 4的激活。在IFN α刺激的浆细胞样DC（pDC）中，FAO和OXPHOS均上调，故该代谢途径可作为pDC激活和诱导抗病毒反应的开关。
Amino acids
氨基酸（Amino acids）可为TCA循环提供燃料，并帮助维持α-KG和琥珀酸等中间代谢产物的数量，如天冬氨酸（aspartate）合成的精氨酸琥珀酸酯（arginosuccinate）可以向TCA循坏提供富马酸（fumarate）。在M1巨噬细胞中，fumarate的补充使SDH中断后的TCA循环正常进行，同时连接了TCA循环与尿素循环，后者可以产生NO。谷氨酰胺的缺乏可减少巨噬细胞中脂质诱导的溶酶体功能障碍、炎症小体激活和细胞死亡，并促进自噬。精氨酸合成的限速酶——精氨酸琥珀酸合成酶，在M1巨噬细胞中显著上调，而精氨酸促进OXPHOS的同时限制了肿瘤细胞中ROS的产生。而在幼稚T细胞的激活过程中，补充L-精氨酸可以促进OXPHOS并限制IFN γ的产生，且补充后的T细胞在再刺激后产生IFN-γ的能力增加，表明L-精氨酸赋予了T细胞记忆样表型（图3）。
图3 多种氨基酸回补TCA循环中的代谢物
展望
已有研究证明，在二甲双胍调控的M1炎症巨噬细胞向M2抗炎细胞的转化中，二甲双胍通过靶向电子传递链复合物I抑制mtROS的产生；抑制SDH也能通过限制mtROS的产生继而促进抗炎反应。在慢性感染和癌症中，T细胞共抑制分子PD 1的持续连接促进了T细胞衰竭，衰竭过程与线粒体呼吸和糖酵解减少相关，且衰竭T细胞中线粒体去极化和mtROS增加。综上所述，线粒体或可作为炎症及癌症治疗的靶点。
原文链接：https://doi.org/10.1038/ni.3704
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