線粒體調(diào)控先天性免疫機(jī)制研究進(jìn)程范文

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摘要：線粒體是真核細(xì)胞中參與細(xì)胞代謝和細(xì)胞程序性死亡的重要的細(xì)胞器。除此之外，線粒體還與宿主細(xì)胞抗病毒先天性免疫有密切的關(guān)系。線粒體首次被證實(shí)參與先天性免疫調(diào)控是線粒體抗病毒信號(hào)蛋白（MAVS）的發(fā)現(xiàn)，MAVS錨定于線粒體，是RIG-I樣受體信號(hào)傳導(dǎo)中的關(guān)鍵接頭蛋白。最近，其他先天免疫分子，如NLRX1，TRAF6，NLRP3和IRGM等也被證實(shí)與線粒體相關(guān)，說(shuō)明線粒體能夠作為先天性免疫的平臺(tái)發(fā)揮抗病毒作用。此外，損傷線粒體可釋放一系列損傷相關(guān)分子模式，其中線粒體DNA（mtDNA）的釋放能夠激活TLR9，NLRP3和STING等一系列先天性免疫信號(hào)通路。本文簡(jiǎn)單介紹了線粒體的功能，總結(jié)了線粒體如何調(diào)控抗病毒先天性免疫，試圖為細(xì)胞器水平進(jìn)行病毒防控提供新策略。

關(guān)鍵詞：線粒體;病毒;先天性免疫;MAVS;線粒體DNA

線粒體是真核細(xì)胞中一種重要的雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，除了成熟的哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞和某些單細(xì)胞生物之外，線粒體幾乎存在于所有真核生物細(xì)胞中。線粒體最初被發(fā)現(xiàn)也是最重要的功能是通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生能量，即三磷酸腺苷（ATP）。ATP產(chǎn)生最重要的通路是三羧酸循環(huán)，線粒體內(nèi)膜上的大量蛋白質(zhì)參與了這一過(guò)程，因此線粒體被認(rèn)為是細(xì)胞的動(dòng)力工廠。線粒體另一個(gè)重要的功能是儲(chǔ)存細(xì)胞中的鈣離子，線粒體能夠迅速攝取鈣，并稍后釋放，線粒體的這種瞬時(shí)儲(chǔ)存鈣的功能有利于維持細(xì)胞內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)[1]。細(xì)胞中游離鈣的濃度可調(diào)節(jié)一系列反應(yīng)，對(duì)細(xì)胞中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要，由線粒體膜電位驅(qū)動(dòng)的鈣釋放可以激活一系列第二信使，協(xié)調(diào)神經(jīng)細(xì)胞中的神經(jīng)遞質(zhì)釋放和內(nèi)分泌細(xì)胞中激素釋放的過(guò)程[2]。除此之外，線粒體還在其他一些細(xì)胞代謝中發(fā)揮重要作用，例如：線粒體活性氧介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，細(xì)胞凋亡、激素信號(hào)傳導(dǎo)等。近年來(lái)，隨著線粒體抗病毒蛋白（Mitochondrialantiviral-signalingprotein,MAVS，又稱(chēng)IPS-1,VISA,CARDIF）[3-6]的發(fā)現(xiàn)，越來(lái)越多的證據(jù)顯示線粒體在先天性免疫中發(fā)揮重要的作用，本文就線粒體如何參與抗病毒先天性免疫進(jìn)行綜述。

1線粒體動(dòng)力學(xué)和抗病毒免疫

病毒感染細(xì)胞時(shí)，先天免疫系統(tǒng)通過(guò)幾種類(lèi)型的模式識(shí)別受體（PRR）快速識(shí)別病毒，這些識(shí)別病毒的PRR主要包括Toll樣受體（TLR）和RIG-I樣受體（RLR）。TLRs（例如TLR7和TLR3）位于細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)體的膜上，識(shí)別病毒的病原相關(guān)分子模式（PAMP）后招募接頭蛋白（例如MyD88和TRIF），導(dǎo)致下游信號(hào)通路的激活，產(chǎn)生I型干擾素（IFNs）和趨化因子[7]。RLR（例如RIG-I和MDA5）是細(xì)胞質(zhì)中識(shí)別病毒的模式識(shí)別受體[8][9]。這些胞質(zhì)解旋酶含有兩個(gè)N端串聯(lián)的半胱天冬酶招募結(jié)構(gòu)域（caspaserecruitmentdomain，CARD）[8][10]，RLR識(shí)別病毒后會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化導(dǎo)致CARD域的暴露，與下游線粒體接頭蛋白MAVS的CARD結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生互作，隨后激活下游的兩種細(xì)胞質(zhì)蛋白激酶復(fù)合物，一種包括“非經(jīng)典”IKK-相關(guān)激酶TBK1或IKK-i/ε和一系列接頭蛋白例如TANK,NAP1和NEMO。這種TBK1復(fù)合物負(fù)責(zé)激活轉(zhuǎn)錄因子IRF3的磷酸化和二聚化，IRF3轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核中，誘導(dǎo)I型IFN基因的表達(dá)。另一種激酶復(fù)合物包括IKKα,IKKβ和NEMO，這種IKK復(fù)合物激活NF-κB，促進(jìn)下游促炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，參與先天性抗病毒反應(yīng)[5,8]。用Poly(I:C)刺激MAVS缺陷小鼠無(wú)法引起IFN產(chǎn)量上升，RNA病毒感染MAVS缺陷小鼠后導(dǎo)致免疫反應(yīng)嚴(yán)重受損[11,12],這些結(jié)果說(shuō)明MAVS在抗病毒先天免疫中發(fā)揮關(guān)鍵作用。MAVS如何參與介導(dǎo)抗病毒先天免疫信號(hào)的傳導(dǎo)的具體機(jī)制尚不清楚，但重要的是，MAVS必須定位于線粒體才能發(fā)揮其功能[5]，說(shuō)明MAVS的信號(hào)傳導(dǎo)依賴(lài)線粒體的狀態(tài)。與之相對(duì)應(yīng)的是：MFN1作為一種線粒體融合蛋白，能夠正調(diào)控MAVS介導(dǎo)的天然抗病毒反應(yīng)[13-15]。進(jìn)一步研究結(jié)果顯示MAVS能與MFN1發(fā)生相互作用，RLR激活后，MFN1-MAVS復(fù)合物調(diào)控線粒體上MAVS的重新分配以及線粒體的管網(wǎng)狀延伸[14,15]。盡管MAVS再分配的功能尚不明確，但線粒體的管網(wǎng)狀延伸能夠增強(qiáng)MAVS與STING的互作，促進(jìn)細(xì)胞抗病毒反應(yīng)[14]。STING是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的抗病毒信號(hào)接頭蛋白，在DNA病毒誘導(dǎo)的先天性免疫中發(fā)揮重要作用[16]。與MFN1相反，其同源蛋白MFN2卻能夠抑制MAVS功能，這可能與線粒體動(dòng)力學(xué)無(wú)關(guān)[17]。因此，盡管MFN1和MFN2在線粒體融合方面具有相似的功能，但它們?cè)诳共《鞠忍烀庖叻矫嫠坪跗鹬喾吹淖饔肹13]。MFN1和MFN2兩者除了對(duì)線粒體融合的調(diào)控外，還能夠與各自的伴侶分子在線粒體外膜上進(jìn)行同型和異型互作，這確保了對(duì)MAVS介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)的精細(xì)調(diào)控。MAVS介導(dǎo)的抗病毒信號(hào)傳導(dǎo)不僅受線粒體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控。兩種線粒體蛋白，NLRX1[18]和gC1qR[19]被證實(shí)通過(guò)抑制MAVS阻斷RIG-I和MDA5介導(dǎo)的抗病毒反應(yīng)。有趣的是，最近的一項(xiàng)研究報(bào)導(dǎo)顯示線粒體膜電位（ΔΨm）也能調(diào)控RLR介導(dǎo)的先天性免疫通路[20]。用質(zhì)子載體CCCP處理或在MFN1和MFN2缺失的細(xì)胞中ΔΨm喪失，這明顯阻斷RLR介導(dǎo)的抗病毒先天免疫應(yīng)答，但對(duì)TLR3的激活沒(méi)有影響。ΔΨm在MAVS介導(dǎo)的信號(hào)傳遞中的具體作用還不明確，有報(bào)道認(rèn)為ΔΨm的喪失可能會(huì)阻止MAVS復(fù)合體的重組，MAVS復(fù)合體的重組能為病毒感染提供更迅速的反應(yīng)[20]。此外，ΔΨm的喪失還有可能阻止MAVS與STING的互作[14,16]。這些證據(jù)證明線粒體動(dòng)力學(xué)和ΔΨm似乎都參與了MAVS介導(dǎo)的先天性免疫，但是將線粒體最重要的功能ATG合成抑制卻并不阻斷MAVS介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)，說(shuō)明MAVS的功能不依賴(lài)于線粒體的能量供應(yīng)。除了直接調(diào)控之外，線粒體還能夠通過(guò)活性氧（ROS）間接調(diào)控先天免疫信號(hào)通路，例如NF-κB和JNK途徑，以及caspase1炎性小體[21]。細(xì)胞內(nèi)活性氧的兩個(gè)主要來(lái)源是線粒體和膜相關(guān)的NADPH氧化酶（NOX）與雙重氧化酶（DUOX）復(fù)合物。NOX2和ROS對(duì)MAVS介導(dǎo)的抗病毒信號(hào)傳導(dǎo)至關(guān)重要。進(jìn)一步研究結(jié)果證實(shí)NOX2對(duì)于MAVS的表達(dá)至關(guān)重要，NOX2下調(diào)能降低MAVS的mRNA表達(dá)水平而不影響其線粒體定位[22]。

2線粒體作為先天免疫的平臺(tái)

MAVS作為RLR通路的樞紐接頭蛋白定位于線粒體外膜，且MAVS發(fā)揮功能依賴(lài)其線粒體定位，首次證實(shí)了線粒體在先天免疫信號(hào)通路中發(fā)揮重要作用。越來(lái)越多的證據(jù)證明許多宿主抗病毒免疫反應(yīng)都依賴(lài)于線粒體。許多參與細(xì)胞免疫反應(yīng)的分子均與線粒體關(guān)系密切，例如NLRP3，TLR等。

2.1NLRP3

NLRP3是一種重要的NLR（NOD樣受體），在病原相關(guān)分子模式（PAMP）和損傷相關(guān)分子模式（DAMP）誘導(dǎo)caspase1炎性小體過(guò)程中發(fā)揮重要作用[23]。NLRP3上游激活物的多樣性導(dǎo)致了NLRP3能識(shí)別由PAMP和DAMP觸發(fā)的信號(hào)，而不是直接識(shí)別單獨(dú)的分子（蛋白質(zhì)或核酸等）。這依然存在爭(zhēng)論，因?yàn)樽C據(jù)表明溶酶體損傷或者ROS可以直接作為NLRP3的激動(dòng)劑。最初發(fā)現(xiàn)由NADPH復(fù)合體產(chǎn)生吞噬體相關(guān)ROS能激活NLRP3[24]。另有報(bào)道顯示，細(xì)胞中NADPH氧化酶依賴(lài)的ROS產(chǎn)生通路受阻能夠?qū)е翹LRP3通路激活[25]。JürgTschopp組最近提出線粒體可能是激活NLRP3的ROS的主要來(lái)源，為這些相互矛盾的結(jié)果提供了可能的解釋[26]。他們發(fā)現(xiàn)魚(yú)藤酮和抗霉素這兩種藥物能夠阻斷線粒體呼吸鏈，導(dǎo)致線粒體ROS的生成，從而有效激活NLRP3。類(lèi)似地，抑制自噬能導(dǎo)致產(chǎn)生ROS的缺陷線粒體積累，而該線粒體又能增強(qiáng)NLRP3依賴(lài)炎癥小體的激活。進(jìn)一步研究結(jié)果表明，線粒體作為一種分子平臺(tái)，在NLRP3激動(dòng)劑處理后能招募NLRP3中的幾個(gè)炎性小體成員，包括NLRP3本身和接頭蛋白ASC[26]。但是目前對(duì)產(chǎn)生ROS的線粒體如何招募NLRP3炎性小體的機(jī)制仍然未知，對(duì)線粒體錨定相關(guān)復(fù)合物如何參與NLRP3炎癥小體形成還有待進(jìn)一步研究。

2.2TLRs

吞噬細(xì)胞吞噬細(xì)菌后導(dǎo)致多種先天免疫信號(hào)通路的激活并殺死微生物。ROS的產(chǎn)生是消滅微生物的一種最古老而有效的手段，它是通過(guò)上調(diào)位于吞噬體表面的NADPH氧化酶復(fù)合物，從而實(shí)現(xiàn)與吞噬作用的功能互聯(lián)。TLR信號(hào)能增強(qiáng)NADPH氧化酶活性，而由該復(fù)合物產(chǎn)生的ROS能增強(qiáng)TLR介導(dǎo)的炎癥途徑[27]。最近的一項(xiàng)研究表明線粒體也可能在吞噬相關(guān)的ROS生成和TLR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起著關(guān)鍵作用。研究結(jié)果表明：用細(xì)胞表面TLRs包括TLR1，TLR2和TLR4的配體，能激活鼠巨噬細(xì)胞產(chǎn)生線粒體衍生的ROS，而內(nèi)體上的TLRs包括TLR3，TLR7，TLR8和TLR9的配體則不能激活鼠巨噬細(xì)胞產(chǎn)生ROS[28]。有趣的是，當(dāng)細(xì)胞吞噬了包被Pam3CSK4（TLR2配體）或LPS（TLR4配體）的乳膠微球后，細(xì)胞中線粒體聚集在含有乳膠微球的吞噬體附近，而當(dāng)乳膠微球包被CpGDNA（TLR9配體）時(shí)，則沒(méi)有觀察到類(lèi)似的現(xiàn)象。由此可以推斷微生物的吞噬和TLR識(shí)別導(dǎo)致吞噬體周?chē)€粒體的聚集和局部ROS產(chǎn)生，這有助于消除被吞噬的微生物。進(jìn)一步研究結(jié)果表明：TRAF6是TLR信號(hào)通路中至關(guān)重要的E3連接酶，在TLR1/2/4配體（而非TLR3/9配體）處理細(xì)胞后轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體，而線粒體ECSIT蛋白被鑒定為T(mén)RAF6的泛素化靶標(biāo)蛋白，而該泛素化是被TLR1/2/4配體特異性激活的。線粒體中TRAF6-ECSIT通路的激活對(duì)線粒體在吞噬體附近的特異性定位以及線粒體ROS的誘導(dǎo)至關(guān)重要。以上研究突出了線粒體ROS在吞噬微生物方面重要性，TRAF6-ECSIT通路的例子說(shuō)明線粒體在先天性免疫中發(fā)揮樞紐作用[28]。

2.3NLRX1

NLRX1是NLR家族成員中唯一一個(gè)具有N末端線粒體定位序列的蛋白，該區(qū)域被命名為字母“X”[18,29]。生化分析結(jié)果顯示NLRX1定位于線粒體基質(zhì)[30]。值得注意的是，NLRX1是目前已知的唯一的靶向線粒體的PRR家族成員，暗示了NLRX1可能連接線粒體和先天免疫之間的重要“橋梁”。然而NLRX1的線粒體定位特征表明其似乎并不能直接識(shí)別微生物來(lái)源的分子標(biāo)記。因此，NLRX1的確切功能尚不清楚。NLRX1的過(guò)表達(dá)能誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生[29]，可能原因是NLRX1與UQCRC2發(fā)生互作，而UQCRC2是線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅲ的重要組分，在ROS生成中具有關(guān)鍵作用[30]。有趣的是，NLRX1被證明也能與MAVS互作，抑制MAVS依賴(lài)性的抗病毒反應(yīng)[18]。但是，NLRX1具體如何與MAVS互作仍不清楚，因?yàn)檫@兩種蛋白質(zhì)定位于不同的由雙層膜隔離開(kāi)的線粒體亞結(jié)構(gòu)域。NLRX1進(jìn)入線粒體依賴(lài)一定程度的內(nèi)膜ΔΨm[30]，因此ΔΨm的損耗將導(dǎo)致NLRX1在細(xì)胞質(zhì)中滯留，滯留在細(xì)胞質(zhì)中的NLRX1與MAVS互作并抑制其介導(dǎo)的信號(hào)通路，這個(gè)假設(shè)還有待進(jìn)一步證實(shí)，首先需要確定病毒感染能否誘導(dǎo)NLRX1在胞質(zhì)中的滯留。另一種可能性是NLRX1通過(guò)產(chǎn)生ROS影響RLR信號(hào)傳導(dǎo)，因?yàn)镽OS已經(jīng)被證明能調(diào)控MAVS依賴(lài)的信號(hào)通路[22]。

2.4IRGM

IRGM是一種細(xì)胞中廣泛存在的的人類(lèi)鳥(niǎo)苷三磷酸酶，在先天免疫抵抗細(xì)胞內(nèi)病原方面發(fā)揮作用[31]。相對(duì)于許多鼠源IRG基因由干擾素調(diào)節(jié)，人源只存在兩種直系同源基因IRGM和IRGC。IRGM最初被認(rèn)為是一個(gè)假基因，后被發(fā)現(xiàn)在人類(lèi)巨噬細(xì)胞清除結(jié)核分枝桿菌過(guò)程中發(fā)揮作用[32]。具體來(lái)說(shuō)，IRGM已經(jīng)證明在雷帕霉素，饑餓和IFNγ誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬限制結(jié)核分枝桿菌方面至關(guān)重要[32]。IRGM介導(dǎo)自噬的機(jī)制尚不清楚，但最近來(lái)自Deretic團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究顯示線粒體在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。IRGM聚集于線粒體并調(diào)節(jié)線粒體分裂，這一機(jī)制在自噬泡調(diào)控細(xì)胞內(nèi)病原過(guò)程中發(fā)揮作用[33]。IRGM對(duì)線粒體的定位取決于IRGM與心磷脂的相互作用，心磷脂是主要在線粒體內(nèi)膜中發(fā)現(xiàn)的一種線粒體脂質(zhì)。另外，對(duì)IRGMmRNA剪接突變體的研究結(jié)果表明：IRGMd異構(gòu)體的過(guò)表達(dá)能誘導(dǎo)線粒體分裂，線粒體去極化和自噬依賴(lài)細(xì)胞死亡，導(dǎo)致主要的促炎激動(dòng)劑HMGB1的釋放[33]。總之，線粒體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)似乎是決定IRGM在先天免疫中介導(dǎo)自噬（細(xì)胞存活）和凋亡或壞死（細(xì)胞死亡）這種雙重功能的重要因素。

3線粒體DNA對(duì)先天性免疫的調(diào)節(jié)

有觀點(diǎn)認(rèn)為線粒體可能是從一種能與宿主細(xì)胞共生的古細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)，因此，線粒體DAMP（mDAMP）可以被認(rèn)為是介于DAMP和PAMP之間的分子模式。線粒體作為細(xì)胞中特殊的細(xì)胞器有自身的組成元件，如細(xì)胞色素c，甲酰肽和線粒體DNA（mtDNA），在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，細(xì)胞利用這些元件作為mDAMP來(lái)防止線粒體損傷。其中細(xì)胞色素c從線粒體內(nèi)膜釋放到細(xì)胞質(zhì)中后能夠與APAF1相互作用，誘導(dǎo)caspase-9依賴(lài)的細(xì)胞凋亡[34]。mtDNA是另一種重要的mDAMP，在細(xì)胞經(jīng)歷非正常死亡（例如病理學(xué)損傷）后釋放并激活一系列先天性免疫通路，最近有報(bào)道顯示線粒體中釋放的mtDNA能夠激活TLR9，NLRP3和STING等一些列先天性免疫信號(hào)通路[35-37]。在細(xì)胞損傷和應(yīng)激（例如陽(yáng)離子載體）后從線粒體釋放的mtDNA能夠激活內(nèi)含體中的TLR9，導(dǎo)致促炎性細(xì)胞因子基因的轉(zhuǎn)錄和促炎細(xì)胞因子的釋放，包括MMP-8，TNF-α，IL-6和IL-1β[35,38]。此外，mtDNA在皰疹病毒感染后釋放至細(xì)胞質(zhì)中，被cGAS-cGAMP-STING通路識(shí)別，導(dǎo)致TBK1-IRF3依賴(lài)的I型IFN通路激活并抑制病毒復(fù)制[37,39]。另外，有趣的是，登革熱病毒作為一種RNA病毒，同樣能夠誘導(dǎo)mtDNA的釋放和cGAS-cGAMP-STING通路的激活，說(shuō)明RNA病毒似乎也能間接激活DNA受體cGAS介導(dǎo)的信號(hào)通路[40]。另一篇與之結(jié)果相反的報(bào)道顯示：登革熱病毒的NS2B蛋白能夠靶向降解cGAS，抑制mtDNA介導(dǎo)的cGAS通路的激活[41]。這些結(jié)果說(shuō)明RNA病毒通過(guò)誘導(dǎo)mtDNA釋放激活cGAS通路還有待進(jìn)一步證實(shí)。此外，諸如ATP的刺激能夠誘導(dǎo)線粒體功能障礙，mtDNA釋放到細(xì)胞質(zhì)中結(jié)合并激活NLRP3炎性小體，NLRP3炎癥小體募集和激活caspase-1，其將IL-1β和IL-18前體切割成其生物活性形式。另一方面，微管相關(guān)蛋白1輕鏈3B（LC3B）/Beclin1介導(dǎo)的細(xì)胞自噬參與了mtDNA的清除，從而負(fù)調(diào)控NLRP3炎性小體的活化[36,42]。

4展望

越來(lái)越多的證據(jù)表明：線粒體除了在細(xì)胞代謝過(guò)程和細(xì)胞死亡中發(fā)揮重要作用，它還是先天免疫信號(hào)激活的關(guān)鍵平臺(tái)。目前還有很多問(wèn)題尚待解決：為什么細(xì)胞中有眾多細(xì)胞器，唯獨(dú)線粒體與先天性免疫關(guān)系如此密切？其中一種可能性是線粒體上多種先天免疫途徑分子的存在。另一個(gè)可能的原因就是線粒體是細(xì)胞內(nèi)ROS的主要來(lái)源，其在許多方面有助于宿主防御病原體。另外，為何mtDNA，而不是基因組DNA能夠被宿主cGAS通路識(shí)別，cGAS通路是如何分辨mtDNA和基因組DNA的？目前針對(duì)病毒的防控主要停留在分子水平，通過(guò)對(duì)線粒體與抗病毒先天性免疫的研究，能夠?yàn)槲覀儚募?xì)胞器水平進(jìn)行病毒防控提供新策略。

作者：毛旭明1；孫英杰2；武瑋2；謝軍3；丁鏟2；吳艷濤1 單位：1.揚(yáng)州大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，2..中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院上海獸醫(yī)研究所，3.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院