線粒體在固有免疫中的作用及機制

汪　琦　劉曉波

(廣東藥科大學基礎學院病原生物學與免疫學系，廣州510006)

線粒體在固有免疫中的作用及機制

汪琦劉曉波

(廣東藥科大學基礎學院病原生物學與免疫學系，廣州510006)

線粒體是除紅細胞外所有真核細胞內(nèi)重要的細胞器，擁有獨立的基因組。雖然各種生物的線粒體具有共同的起源，但是，其大小、組成及結構隨著細胞的不同，存在著明顯的差異。目前所發(fā)現(xiàn)的最小的線粒體基因組來自頂復門的瘧原蟲，只有約6 kb。人類的線粒體DNA大小約為16 kb，含13種編碼OXPHOS 亞單位的基因，2種rRNA和22種tRNA基因。

傳統(tǒng)意義上的線粒體一直被看作能量工廠，事實上，它的功能不僅僅是產(chǎn)生ATP，還涉及細胞凋亡、信號轉(zhuǎn)導、細胞免疫反應等。固有免疫是人類在漫長進化過程中獲得的一種遺傳特性，病原體入侵時，宿主通過病原體識別受體(Pattern recognition receptors，PRRs)識別病原體相關分子模式(Pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，如病原體的結構成分、DNA或蛋白質(zhì)等。而宿主自身的損傷相關分子模式(Damage-associated molecular patterns，DAMPs)也同樣可以被PRRs識別，進而誘導一系列的免疫反應。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的PRRs主要包括TLRs(Toll-like receptors)、NLRs(Nod-like receptors)、RLRs(RIGI-like receptors)、CLRs(C-type lectin receptors)四大類。TLRs識別胞外的PAMPs 和DAMPs,而其他受體則識別胞內(nèi)的PAMPs 和DAMPs。PRRs對PAMPs的識別可激活多種信號途徑，如NF-κB、MAPKs、IRF等，產(chǎn)生抗病毒、抗菌等作用，并進一步激活特異性免疫。隨著MAVs(Mitochondrial-associated viral sensor)的發(fā)現(xiàn)，線粒體與免疫的關系開始引起重視，隨后的研究發(fā)現(xiàn)NLRX1、TRAF6、NLRP3、IRGM等免疫分子與線粒體的功能密切相關，線粒體是機體固有免疫反應的最基本的信號平臺[1]。本文將從MAVs、線粒體動力學、mROS三個方面，綜述固有免疫反應中線粒體的作用及最新進展。

1MAVs在固有免疫中的作用

MAVs蛋白位于線粒體外膜，由540個氨基酸組成，包含三個功能域：N-末端CARD(caspase-recruitment domains)，富含脯氨酸區(qū)域和C端跨膜片段。MAVs的N端CARD與 RIG-I和MAD5的CARDs結合，激活下游的NF-κB 和IRF信號途徑，產(chǎn)生Ⅰ型干擾素和前炎癥因子。富脯氨酸區(qū)域的MAVs可以與TNF受體相關因子(TNF receptor-associated factor,TRAF)結合，激活下游信號通道，缺乏富脯氨酸區(qū)域的MAVs過量表達同樣可以激活下游信號通道，說明TRAF可以與MAVs不同功能區(qū)域結合。MAVs C端跨膜域和BCL-2(B cell lymphoma 2)、BCL-XL和TOM20(translocase of the outer membrane 20)結合,該區(qū)域的缺乏將導致MAVs失去與線粒體外膜(OMM,outer mitochondrial membrane)結合的機會，無法激活下游信號蛋白，C-跨膜區(qū)域還可以促進MAVs的聚合，進一步誘導MAVs 與TRAF的結合，激活下游信號途徑[2]。

MAVs不僅結合在游離的線粒體上，也與線粒體相關膜(Mitochondrial-associated membrane，MAM)連接，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特異位點和線粒體外膜連接在一起[3]。MAVs缺失小鼠不能產(chǎn)生Ⅰ型IFN，極易受到病毒感染。MAVs也定位于過氧化物酶體膜上，為抗病毒基因ISGs(interferon-stimulated genes)在病毒感染初期快速表達所必需,當過氧化物酶體MAVs以依賴干擾素調(diào)控因子-1(Interferon regulatory factor 1-dependent，IRF-1)方式誘導IFN-γ時，線粒體MAVs可以同時誘導IFN-β和IFN-γ分泌[4]，最大的抗病毒反應由線粒體和過氧化物酶體的MAVs共同完成。

2線粒體的動態(tài)變化與固有免疫反應

線粒體不停地分裂、融合，不僅維持線粒體網(wǎng)的完整和呼吸鏈的正常運作，而且調(diào)控固有免疫反應。已有的研究表明。線粒體的融合促進RLR信號途徑，而線粒體的分離卻抑制RLR信號途徑[5]。線粒體融合蛋白(Mitofusin,MFN)MFN2可以與MAVs大分子基團結合抑制RLR信號途徑，病毒感染時，缺失MFN2的細胞MAVs信號增強，產(chǎn)生更多的IFNβ,而MFN2過量表達時則可以抑制NF-κB和IRF3的激活。當敲除MFN1基因抑制線粒體融合時，同時抑制了NF-κB和IRF3的激活,而敲除誘導線粒體分裂的基因DRP1和FIS1時，則增強了MAV和STING的聯(lián)系，進而加強了RLR信號[6]。同時敲除MFN1和MFN2基因，依賴RLR的抗病毒反應顯著降低[7]，MFN1可以正向調(diào)控固有免疫反應，而MFN2則直接抑制MAVs。RLR的激活誘導MAVs寡聚化，進一步利用TRAF3和TRAF6激活兩類胞質(zhì)蛋白激酶復合物：TBK1和IKK。TBK1誘導IRF3和IRF7磷酸化和聚合化，IKK復合物則激活NF-κB誘導前炎癥因子的分泌。同時，MFN1調(diào)控MAVs在線粒體上的重新分布和線粒體網(wǎng)絡的融合，進而促進MAVs和STING的作用[1]。最新研究發(fā)現(xiàn)，病原體HCV可以促進由發(fā)動蛋白相關蛋白1(Dynamin-related protein 1)調(diào)控的線粒體分裂，破壞了線粒體正常的動態(tài)平衡，進而逃避凋亡以及宿主的固有免疫反應[8]。

3線粒體ROS 與固有免疫反應

線粒體是細胞ROS的重要來源，雖然經(jīng)由氧化的過程，ROS能夠損傷細胞蛋白、脂類和核酸，但是，ROS也是重要的第二信使，可以調(diào)控多種信號途徑。最近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，ROS在固有免疫反應的調(diào)控中同樣發(fā)揮著重要的作用。

線粒體產(chǎn)生的ROS最初發(fā)現(xiàn)與炎癥因子的分泌有關，隨后的研究發(fā)現(xiàn)，ROS減少使得由TLR初始的信號途徑減弱，并降低了巨噬細胞的殺菌作用[9]。TLR1,2,4的激活可導致TRAF6的移位，并進一步與線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ上的蛋白ECSIT結合,使得線粒體產(chǎn)生更多的ROS，增加了噬菌體的溶菌作用[10]。線粒體三羧酸循環(huán)(TCA)中間底物琥珀酸的增多可以提高ROS的產(chǎn)量，激活HIF-1α[11,12]。因藥物治療引起的線粒體ROS降低同時減弱了NLRP3的活性，NLRP3的激活依賴于釋放ROS導致的溶酶體通透性變化[13]，線粒體外膜上的磷脂酰甘油可以直接與NLRP3結合導致其激活[14]。

在線粒體ROS調(diào)控的抗菌免疫中，UCP2(Uncoupling protein 2)起著重要的作用。UCP2缺失的小鼠中ROS含量增高，對多種病原體的抵抗力增強,過量表達UCP2的巨噬細胞中ROS的含量降低，在TLR 信號途徑中UCP2的豐度直接調(diào)控了ROS的高低，從UCP2-/-小鼠中分離的巨噬細胞，其ROS 含量增高，導致NF-κB 和MAPK信號途徑的激活以及前炎癥因子分泌增加。ERRα(Oestrogen-related receptor-α)是另一種與線粒體ROS抗菌免疫相關蛋白，細菌感染時，IFN-γ誘導巨噬細胞中依賴ERR-α的 轉(zhuǎn)錄過程，促進線粒體的功能和ROS的產(chǎn)生，ERR-α缺失小鼠巨噬細胞在李斯特菌感染時，ROS減少，清除細菌的能力降低。最新的研究表明，細菌感染時ROS的增加，與轉(zhuǎn)錄因子ATFS-1相關，誘導了相關基因的表達，并進一步通過UPRmt(mitochondrial unfolded protein response)調(diào)控固有免疫反應抵抗感染[15]。

線粒體ROS同樣可以調(diào)控機體抗病毒反應。MAVs的負向調(diào)控因子gC1qR位于線粒體基質(zhì)中，調(diào)控線粒體復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的氧化磷酸化，敲除gC1qR基因后，導致線粒體復合物Ⅰ～Ⅳ 功能異常，導致ROS增高，增強了MAVs信號途徑。NLRX1可以與氧化磷酸化復合物Ⅲ的核心成分結合，調(diào)控ROS的產(chǎn)量，據(jù)此推測，NLRX1可以通過改變ROS產(chǎn)量調(diào)控RLR信號途徑，UCP2過量表達減弱RLR-MAVs信號，與低水平的 ROS相關[16]。

4小結

因為MAVs 的發(fā)現(xiàn)，線粒體和免疫之間的關系引起人們的重視，最近十年來，相關領域的研究已成為熱點。線粒體不僅僅為免疫反應提供必需的能量，同時，也是固有免疫反應的核心參與者(Central participants)[15]。胞內(nèi)病原體可以直接通過線粒體調(diào)控細胞凋亡，免疫細胞的命運也取決于細胞的代謝[17,18]。目前的研究表明，線粒體無論在固有免疫還是適應性免疫中都起著重要的作用，但是仍有諸多亟待解決的問題，如線粒體在免疫細胞中的作用及機制、體內(nèi)線粒體調(diào)控免疫的證據(jù)等等。本文僅對快速發(fā)展的線粒體免疫作一簡短的回顧，相信該領域知識的不斷豐富,將為疾病的防治提供更多的科學依據(jù)和手段。

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[收稿2015-06-07修回2015-07-07]

(編輯張曉舟)

doi:10.3969/j.issn.1000-484X.2016.06.035

作者簡介：汪琦(1970年-)，女，博士，副教授，碩士生導師，主要從事病原體與宿主相互作用的研究，E-mail: 2449281020@qq.com。

中圖分類號R392.1

文獻標志碼A

文章編號1000-484X(2016)06-0920-03