2022年7月3日，美国UCSD的Michael Karin团队在Immunity上发表了题为Oxidized DNA fragments exit mitochondria via mPTP- and VDAC-dependent channels to activate NLRP3 inflammasome and interferon signaling的研究论文。此项研究表明，氧化的线粒体DNA片段（Ox-mtDNA）通过mPTP和VDAC依赖的通道离开线粒体，激活NLRP3炎症小体和干扰素信号。
NLRP3炎症小体是由NLRP3传感器、ASC支架、蛋白激酶NIMA相关蛋白7(NEK7)和效应器pro-Casp1形成的一个大型胞浆复合体。作为一个组织损伤的重要感受器及效应器，其激活导致caspase-1(CASP1)介导的蛋白水解性白介素1β(IL-1β)和白介素18(IL-18)的加工和分泌。持续的NLRP3信号会造成许多慢性病和代谢疾病的隐患。
NLRP3炎症体的激活遵循两步：启动和激活。启动是经由Toll样受体(TLRs)感知病原体(PAMPs)或危险(DAMPS)相关的分子模式，并触发核因子NF-KB诱导的NLRP3和pro-IL-1β转录。激活需要NLRP3炎症体组装、Casp1激活和IL-1β成熟。到目前为止，尚不清楚各NLRP3激活剂是如何触发由启动到激活过程的转变。线粒体是这一过程的关键协调者。此外，先前发现除了NF-KB的激活外，TLR的参与还导致依赖干扰素调节因子-1(IRF1)的CMPK2的诱导，这是一种启动mtDNA合成所需的限速线粒体核苷酸激酶。在压缩成类核之前，新合成的mtDNA暴露在由钙内流和钾外流引发的线粒体膜电位丧失而产生的活性氧物种(ROS)中。这导致Ox-mtDNA的产生并释放到细胞质中，在那里它与NLRP3结合，触发NLRP3炎症小体组装。然而，在非凋亡的巨噬细胞中，Ox-mtDNA如何从处于应激状态但仍完整的线粒体中被释放的机制仍然未知。
胞浆mtDNA的另一个靶点是cGAS，它导致干扰素基因刺激物(STING)的激活和I型干扰素(IFN)的产生，从而进一步放大炎症反应。虽然NLRP3显示出明显的对含8-oxoguanine(8-oxoG)的DNA的偏好，但cGAS可以识别任何类型的dsDNA。尽管线粒体外mtDNA已经被证明可以激活cGAS-STING，但这种反应还没有被证明是由外部刺激触发的。
Ox-mtDNA促进动脉粥样硬化，在这种疾病中，8-oxoG DNA糖基酶1(OGG1)的活性会逐渐下降，而NLRP3炎症体的活性会增加。OGG1是一种碱基切除修复(BER)酶；该酶能够从受损的DNA中去除8-oxoG。尽管OGG1最为人所知的是它的核功能，但是它也定位于线粒体以维持mtDNA的完整性。研究人员首先探究OGG1是否能通过钝化的NLRP3炎症小体激活在线粒体内发挥抗炎作用。NLRP3炎症小体会引发急性呼吸窘迫综合征(ARDS)，在ARDS中，肺实质和常驻免疫细胞产生IL-1β和IL-18来驱动肺部炎症。线粒体靶向OGG1转基因(mt-Ogg1Tg)小鼠能抑制内毒素诱导的ARDS(图一)。与之相匹配的是，mt-Ogg1Tg小鼠的支气管肺泡灌洗液(BALF)中的IL-1β较少，但TNF的分泌没有变化。研究表明，Ox-mtDNA是mtOGG1抗炎活性的靶点。然而，NLRP3炎症小体激活和细胞凋亡相互独立。
图一：mt-Ogg1Tg小鼠能抑制内毒素诱导的ARDS，表现为肺血管内皮细胞损伤减轻，间质水肿，巨噬细胞和中性粒细胞浸润，肺泡壁增厚，胶原沉积
随后的研究表明，Ox-mtDNA片段穿过线粒体内膜的通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore, mPTP)和外膜的VDAC多聚体毛孔进入细胞质。不同的NLRP3炎症小体激活剂迅速刺激线粒体钙单转运体(MCU)介导的钙摄取，导致钙离子过载，从而打开mPTP并诱发VDAC寡聚。这一过程独立于诱导Ox-mtDNA生成的mtDNA和ROS。
线粒体DNA长度约为16.3kb，且由TFAM (mitochondrial transcription factor A)压缩成既不能通过mPTP孔也不能通过VDAC孔的附着在基质上的类核。研究人员从内毒素刺激的小鼠骨髓源巨噬细胞线粒体和细胞质内提取出DNA，电泳胶分析显示，细胞质内存在非常微量的500-650bp大小的DNA片段，而大多数留在线粒体内的DNA大小在5kb以上。这说明在NLRP3炎症小体激活下只有少量小片段的断裂Ox-mtDNA从线粒体释放到细胞质中。经过进一步对线粒体中的核酸酶的筛选，研究人员发现FEN1是剪切Ox-mtDNA的关键酶。FEN1介导的线粒体DNA片段化导致Ox-DNA逃逸至细胞质，并引发NLRP3炎症小体激活。而与此相对，如果Ox-mtDNA在线粒体中被OGG1成功修复，就难以被FEN1剪切而释放进细胞质引发炎症。mt-OGG1和FEN1抑制剂FEN1-IN-4能阻止mtDNA片段化，减少释放到胞浆的Ox-mtDNA并抑制细胞外线粒体DNA的释放和旁分泌炎症。
这些结果说明，在线粒体内，Ox-mtDNA要么被DNA糖基酶OGG1修复；要么被内切酶FEN1切割，这些片段将通过mPTP和VDAC依赖的通道离开线粒体，启动胞质内NLRP3炎症小体的激活。OX-mtDNA片段还可以激活cGAS-STING信号，并产生促炎的胞外DNA。（图二）
2021年10月21日，哈佛大学医学院吴皓课题组联合中国科学技术大学朱书课题组在国际顶级学术期刊Cell上发表题为Phase separation drives RNA virus-induced activation of the NLRP6 inflammasome的研究性论文。该文章发现双链RNA（dsRNA）在体外或胞内通过与NLRP6相互作用，诱导其发生液-液相分离（LLPS）进而激活炎症小体抗病毒免疫反应。
简评
除了在细胞生存和死亡中的关键作用外，线粒体还是炎症的关键调节因子。线粒体和NLRP3炎症体在不同的疾病中有多方面关联。此研究结果进一步将线粒体确立为不同NLRP3激活剂的主要靶标，揭示了Ox-mtDNA是如何被加工成更小的片段从而进入胞浆，以触发NLRP3炎症小体组装和激活以及STING磷酸化，从而介导非凋亡的巨噬细胞产生干扰素。同样的途径也解释了circulating cell-free(ccf) mtDNA（一种系统性的炎症介质）的释放。
--He Xintong
原文链接：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35835107/
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