摘要：线粒体不仅是细胞的能量工厂，更是整合代谢、信号转导与免疫应答的枢纽。当这些功能受到干扰时，就会引发炎症、细胞死亡和各种疾病。线粒体功能失调会引发一系列病理过程，如病原体入侵、线粒体DNA（mtDNA）包装缺陷以及嘧啶或苹果酸脱氢酶缺乏等线粒体应激因素，都会导致

撰文 |咸姐

线粒体不仅是细胞的能量工厂，更是整合代谢、信号转导与免疫应答的枢纽。当这些功能受到干扰时，就会引发炎症、细胞死亡和各种疾病。线粒体功能失调会引发一系列病理过程，如病原体入侵、线粒体DNA（mtDNA）包装缺陷以及嘧啶或苹果酸脱氢酶缺乏等线粒体应激因素，都会导致mtDNA释放到细胞质中，进而引发炎症反应。裸露的环状mtDNA一旦被cGAS识别，就会触发cGAS–STING–TBK1级联，诱导I型干扰素和干扰素刺激基因（ISG）大量表达。这种反应在抵御病原体方面具有保护作用，但同时也可能促进自身免疫和炎症性疾病的发生，并参与细胞和机体衰老【1,2】。近年，线粒体蛋白酶YME1L被确定为感知营养压力的“变阻器”，其通过限制性蛋白水解重编程线粒体蛋白组，维持嘧啶合成与回补反应，为肿瘤生长及神经干细胞稳态提供前提。然而，一旦YME1L缺失，或化疗药物抑制胞质嘧啶生物合成，细胞中核苷酸失衡就会导致mtDNA释放和炎症【3】。尽管如此，核苷酸失衡作为mtDNA依赖性炎症的驱动因素，在衰老和疾病中的生理重要性以及核苷酸失衡或其他线粒体应激因素如何影响mtDNA，最终导致其从线粒体中释放的机制，仍然不甚清楚。

近日，来自德国 马克斯·普朗克衰老生物学研究所的Thomas Langer团队在Nature上在线发表题为Ribonucleotide incorporation into mitochondrial DNA drives inflammation的文章，发现核苷酸失衡会显著增加rNTP/dNTP比例，进而导致核糖核苷酸（rNMP）大量错误掺入mtDNA。这种异常嵌入不仅损害mtDNA完整性，还促进其片段释放到细胞质中，激活cGAS–STING通路，诱发衰老相关分泌表型（SASP）和炎症反应，而外源性补充脱氧核糖核苷可逆转这一过程，由此凸显了核苷酸代谢平衡在维持mtDNA稳定性和抑制年龄相关炎症中的关键作用，揭示衰老与炎症的新机制及干预靶点。

缺乏MGME1（一种调节mtDNA维持的线粒体外切酶）的小鼠会发展出肾炎，并在大约1岁时因肾衰竭而早亡。为了研究线粒体依赖性先天免疫信号是否与这种表型有关，本文研究人员 分析了不同年龄段 野生型（WT）和MGME1缺失 （Mgme1 − / − ）小鼠肾脏中ISG的表达谱，发现Mgme1 − / − 小鼠随年龄增长（尤其在70周龄时）ISG显著诱导，且 这种表达特征具有组织特异性，未在其他器官中观察到。 通过数字PCR（dPCR）进行mtDNA定量发现，Mgme1 − / − 小鼠胞质中富含源于重链复制起点（O H ）附近的mtDNA片段（如D-loop和Cytb区域），而线粒体蛋白TFAM并未富集，证实了mtDNA片段特异性泄漏而非整体线粒体泄漏。这些结果表明，肾脏中 MGME1 的缺失会导致与年龄相关的先天免疫反应，而这与主要来源于O H 近端mtDNA区域的mtDNA片段的释放有关。

与此同时，研究人员发现，Sting1的功能丧失性突变几乎完全阻断了Mgme1 − / − 小鼠中观察到的强烈ISG反应，证实了该炎症信号对STING的依赖性，在 小鼠的原代和永生化胚胎成纤维细胞（MEF）中的实验也 得出同样的结论。 研究还发现，MGME1缺失细胞中 胞质mtDNA水平升高，免疫荧光显微镜也观察到胞质中DNA焦点数量显著增加。 这些实验结果表明，MGME1的缺失导致mtDNA释放到细胞质中，激活了cGAS-STING-TBK1信号通路，进而引发ISG的表达。此外，STING的缺失改善了Mgme1 − / − 小鼠的 肾脏病理表现 ，包括减轻肾小球硬化、 蛋白质管状形成以及 B220+和CD3+T细胞的肾小球周围浸润，进一步证实了STING信号在疾病进展中的关键作用。

MGME1作为线粒体复制核酸外切酶的功能增加了mtDNA复制受损引发mtDNA依赖性免疫反应的可能性，然而，本文研究人员发现，敲低mtDNA复制关键酶并未引发ISG反应，反而敲低解旋酶抑制了Mgme1 − / − 细胞中的ISG表达，表明活跃的mtDNA合成对于触发mtDNA释放至关重要。对Mgme1 − / − 小鼠肾脏mtDNA的二代测序结果显示，序列覆盖度随与O H 距离增加而下降，提示复制在O H 附近频繁起始且易发生停滞。进一步实验结果显示，Mgme1 − / − 细胞中 脱氧核苷酸（ dNTP ） 水平降低而rNMP水平升高，造成核苷酸失衡。通过敲低胞质dNTP水解酶SAMHD1以恢复dNTP库，或敲低线粒体嘧啶核苷酸载体SLC25A33以限制mtDNA复制底物，均能有效抑制Mgme1 − / − 细胞的ISG反应。这些结果表明，MGME1缺失导致mtDNA复制异常和核苷酸代谢紊乱，二者共同作用，通过持续但受损的mtDNA复制过程，促使mtDNA片段释放并驱动cGAS-STING依赖的炎症信号。

进一步地，研究人员 利用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）分析了MGME1和YME1L缺失细胞中核糖核苷酸（rNTP）和dNTP的比例，发现这些细胞中rNTP/dNTP比率显著升高。通过碱性凝胶电泳和 水解末端测序（HydEn-seq） 技术，研究人员发现MGME1和YME1L缺失细胞中mtDNA的rNMP含量显著增加。 这些方法共同证实，在YME1L或MGME1缺陷模型中，失衡的核苷酸池导致了rNTP在mtDNA复制过程中被错误掺入，损害了mtDNA的完整性，而这与线粒体DNA的释放以及先天免疫信号传导有关。

最后，通过诱导人IMR90成纤维细胞衰老，研究人员发现衰老细胞 由于细胞周期停滞和核糖核苷酸还原酶（RNR）活性降低， 引起dNTP水平降低和rNTP/dNTP比率升高，mtDNA中rNMP含量显著增加。更重要的是，外源性补充脱氧核糖核苷虽不改变衰老状态，却能降低mtDNA的rNMP含量、减少胞质mtDNA释放，并显著抑制SASP相关炎症基因的表达。进一步对年轻与老年小鼠多组织分析显示，自然衰老组织中普遍存在rNTP/dNTP比率升高现象，且其mtDNA同样表现出对碱性和RNase H2处理的敏感性增强，提示rNTP掺入的增加。

综上所述，本研究证实，在复制过程中，rNTP掺入mtDNA的增加会导致线粒体中mtDNA片段的释放并引发促炎信号传导，从而凸显了rNTP相对于dNTP的高摩尔过量对细胞构成的挑战。此外，在细胞衰老和机体自然衰老过程中，升高的rNTP/dNTP比率导致了rNTP更多地错误掺入mtDNA，进而引发mtDNA驱动的cGAS–STING信号通路激活和炎症性SASP，而补充dNTP可逆转此过程，这不仅揭示了这种线粒体依赖性炎症机制在衰老、神经退行性疾病和癌症中可能产生的深远影响，也展示了维持核苷酸平衡在延缓年龄相关炎症中的潜在干预价值。

制版人： 十一

参考文献

1. 1West, A. P. et al. Mitochondrial DNA stress primes the antiviral innate immune response.Nature520, 553–557 (2015).

2. West, A. P. & Shadel, G. S. Mitochondrial DNA in innate immune responses and inflammatory pathology.Nat. Rev. Immunol.17, 363–375 (2017).

3. Sprenger, H. G. et al. Cellular pyrimidine imbalance triggers mitochondrial DNA-dependent innate immunity.Nat. Metab. 3, 636–650 (2021).

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来源：科学你我他