线粒体动力学
线粒体不断经历融合和分裂的过程（图2b）。融合形成相互连接的线粒体网络，促进内容物交换，这对于线粒体基因组和蛋白质组的完整性至关重要。相反，分裂使线粒体碎片化，有助于清除功能失调的部分。线粒体动力学的失调是引发线粒体应激的关键机制。 ![]()
在脓毒症期间，各种组织中发生过度的线粒体碎片化，揭示了线粒体动力学的变化。为了探究线粒体分裂在脓毒症中的影响，Gonzalez等人在进行盲肠结扎穿刺（CLP）之前用Drp1抑制剂mdivi-1治疗大鼠。这种治疗可恢复线粒体的形状，并抑制肝细胞中复合物活性的失调和细胞凋亡。在其他研究中也得到了证实mdivi-1的类似结果。在脓毒症应激环境中，给予其他分裂抑制剂（如P110（抑制Drp1/Fis1相互作用））药物治疗，也对线粒体显示出了保护作用。这些发现表明，过度分裂极大地促成了脓毒症期间线粒体的损伤。因此，抑制这一过程是恢复线粒体功能的有效方法。
线粒体膜孔会导致线粒体肿胀、内容物丢失以及线粒体膜电位（ΔΨm）耗散。在脓毒症期间，参与孔形成的三个主要机制是线粒体外膜通透性增加（MOMP）、线粒体通透性转换（MPT）以及最新发现的焦亡蛋白（GSDMs）介导的线粒体膜开放（图 3）。![]()
MOMP由 Bcl-2 家族蛋白 Bax 和 Bak 介导，它们在参与凋亡信号时打开线粒体外膜。MOMP 会导致线粒体损伤并释放如细胞色素 C 等膜间隙分子。大的 Bax/Bak 孔也允许线粒体内膜突出到线粒体之外，释放基质内容物。细胞因子如干扰素 γ（INF-γ）和肿瘤坏死因子 α（TNF-α）可被细胞膜死亡受体识别，从而在脓毒症期间激活半胱天冬酶 8（caspase-8）。激活的 caspase-8 切割 Bid，产生截短形式的 Bid（tBid），tBid 易位到线粒体并激活 Bax/Bak 以诱导 MOMP 和细胞死亡。Chuang 等人在经CLP处理的小鼠的各种组织的线粒体部分中观察到 tBid 增加，而 Bid 缺陷显著抑制了下游细胞的死亡。除了 caspase-8，也有研究报道，半胱天冬酶 1（caspase-1）在巨噬细胞的炎症反应期间切割 Bid 并诱导 MOMP。 在几种脓毒症模型中都描述了线粒体通透性转换（MPT）的发生。在这些模型中，通过环孢菌素 A（CsA）对 MPT 的药理抑制作用可以显著减轻线粒体 DNA 释放和线粒体功能障碍，这表明 MPT 在脓毒症诱导的线粒体损伤中起着关键作用。MPT 的确切分子组成和机制仍是一个正在研究的问题，其关键成分包括 F1FO（F）-ATP 合酶、腺苷酸转位酶（ANT）、亲环蛋白 D（Cyp-D）和电压依赖性阴离子通道（VDAC）。这些成分在线粒体内膜和外膜的界面处组装成一个超分子孔（MPTP）。升高的活性氧（ROS）水平可以通过对 MPT 成分或其他线粒体蛋白的氧化修饰来诱导 MPTP 开放。 焦亡蛋白（GSDMs）是免疫反应中的关键参与者，特别是在介导细胞焦亡的过程中。在炎症期间，GSDMs 被半胱天冬酶切割以释放其活性 N 末端片段（GSDMs-N）。GSDMs-N 易位到质膜，形成孔并破坏膜。最近的研究发现表明，GSDMs 也靶向线粒体膜，代表了线粒体通透性的一种新途径。延时成像分析显示，线粒体损伤发生的时间远早于细胞膜的开放，这表明 GSDMs-N 在细胞膜开放之前已使线粒体具有通透性。这种现象归因于 GSDMs-N 对线粒体心磷脂的强结合特性。值得注意的是，活性氧促进心磷脂从线粒体内膜向外膜外化，解释了 GSDMD-N 为什么在线粒体外膜上积累，因为在正常情况下心磷脂主要位于线粒体内膜。总的来说，GSDM 介导的孔形成代表了免疫反应期间线粒体通透性的新途径。
先天免疫反应在脓毒症的病理生理学中起到关键作用。一旦被激活，模式识别受体（PRRs）就会启动信号级联反应，导致核因子κB、干扰素调节因子（IRF）和其他转录因子向细胞核转位。这些转录因子启动促炎细胞因子、趋化因子、I 型干扰素（IFNs）等的产生。在过去几十年中，有大量研究证明，受损的线粒体是先天免疫的关键调节因子，特别是通过 NLRP3、TLR9 和 cGAS 途径。因此，在应激条件下，线粒体损伤不仅仅是一种被动结果，而是积极促成对病原体防御至关重要的炎症反应。然而，在脓毒症的情况下，过度或持续的炎症会在体内引起致命的炎症失衡，最终导致组织和器官损伤。在本节中，我们将探讨线粒体在调节炎症途径中的作用。 NLRP3 炎症小体激活前半胱天冬酶-1，后者将白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）等促炎细胞因子切割，以促进它们的成熟。目前主要在单核细胞/巨噬细胞中的研究中，揭示了线粒体在 NLRP3 炎症小体激活中的几种调节作用。线粒体活性氧（mtROS）已被证明是 NLRP3 炎症小体激活的关键分子。在脓毒症模型中，抑制 mtROS 可减少 NLRP3 炎症小体介导的细胞因子产生。一些研究为活性氧调节 NLRP3 激活的机制提供了见解。2010 年，Zhou 等人确定硫氧还蛋白（TRX）相互作用蛋白（TXNIP）为 NLRP3 的结合伴侣。在生理条件下，TXNIP 与 TRX 结合，不能与 NLRP3 结合。活性氧通过触发 TXNIP 与 TRX 的解离促进 NLRP3 激活。另一项研究表明，mtROS 通过促进 NLRP3 的去泛素化促进 NLRP3 炎症小体激活。值得注意的是，Bauernfeind 及其同事报告说，活性氧增加 NLRP3 的表达而不是激活它，这表明活性氧对 NLRP3 有翻译水平的调节作用。 线粒体 DNA（mtDNA）也调节 NLRP3 炎症小体激活。Nakahira 等人证明，阻止 MPT 介导的 mtDNA 释放可显著减少 LPS+ATP 刺激后巨噬细胞中 IL-1β 的分泌。有趣的是，NLRP3 炎症小体优先被氧化的 mtDNA（ox-mtDNA）而不是正常 mtDNA 激活。Zhong 等人发现 TLR4 信号促进新的 mtDNA 合成以维持 ox-mtDNA 的产生，因为新合成的 mtDNA 未被修饰且极易被氧化。在被释放到细胞质中之前，ox-mtDNA 会经历一个切割过程，变成 500-650bp 的片段。Xian 等人最近确定 flap 结构特异性内切核酸酶 1（FEN1）是该过程的关键介质。AIM2 炎症小体也可以被 mtDNA 激活。与 NLPR3 炎症小体不同，AIM2炎症小体是由正常DNA到氧化线粒体DNA激活的。
NLRP3炎症小体与细胞器的空间关联对其激活至关重要。早期研究认为，线粒体或线粒体相关膜（MAM）是NLRP3的对接位点，而最近的一些研究则涉及了反式高尔基体网络（TGN）和微管组织中心（MTOC）。 Zhou等人在2010年的研究称，炎症刺激触发NLRP3与线粒体和MAM共定位。这种空间上的接近可能有助于感知来自线粒体的炎症信号。微管在线粒体与NLRP3的关联中也起到一定作用。从机制上说，炎症期间线粒体功能障碍会减少NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的氧化形式）的产生，进而抑制NAD+依赖性的α-微管蛋白去乙酰化酶sirtuin 2，导致α-微管蛋白乙酰化增加。乙酰化的α-微管蛋白随后促进动力蛋白依赖性的线粒体向NLRP3的转运。炎症刺激也触发NLRP3向线粒体的转运，这是由微管亲和力调节激酶4（MARK4）调节的。MARK4的耗尽会影响NLRP3的空间排列和炎症小体激活。
线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）和心磷脂介导NLRP3在线粒体上锚定。缺乏线粒体靶向结构域的MAVS不能招募NLRP3或诱导NLRP3寡聚化，这表明其线粒体定位对NLRP3炎症小体激活至关重要。鉴于MAVS在识别病毒RNA方面的既定作用，微生物RNA在细菌感染期间促进MAVS依赖性的NLRP3招募中起到作用是合理的。与此一致，病毒或大肠杆菌诱导的NLRP3炎症小体激活极大程度的依赖于MAVS，而LPS+ATP或LPS+尼日利亚菌素（没有微生物RNA）诱导的NLRP3炎症小体激活仅部分受MAVS影响。心磷脂也与NLRP3相互作用并有助于炎症小体激活。最近的一项研究表明，心磷脂能够同时招募NLRP3和caspase-1，为炎症小体组装搭建平台。
最近的一些研究强调了高尔基体和MTOC可参与NLRP3炎症小体激活。NLRP3蛋白很可能首先沿着微管运输，以与线粒体相遇，之后NLRP3重新分布到相邻的高尔基体。然后，NLRP3被运输到MTOC并重组为单个斑点结构。在MTOC，NLRP3与NEK7结合，NEK7是一种定位于中心体的激酶，对NLRP3炎症小体激活至关重要（图4）。
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环鸟苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）通路是另一条受线粒体调节的炎症通路。cGAS检测细胞质中的双链DNA并启动先天免疫反应（图4）。正常和氧化的线粒体DNA均能被cGAS识别，但氧化的线粒体DNA更能抵抗细胞质核酸酶3’修复外切核酸酶1的降解，增加了其与cGAS相互作用的可能性。 Huang等人的研究表明，CLP小鼠模型中的线粒体DNA可以通过GSDMD孔释放，以激活cGAS-STING通路。该通路不仅增强炎症反应，还抑制肺内皮细胞增殖，从而影响宿主的恢复能力。值得注意的是，cGas基因的缺失为CLP后72小时的小鼠提供了对肺损伤的实质性保护，这表明cGAS-STING通路在脓毒症性肺炎中至关重要。
研究表明，脓毒症患者和动物模型中循环的无细胞线粒体DNA水平升高，与不良预后相关。与细胞质中的线粒体DNA一样，循环的线粒体DNA在脓毒症期间激活cGAS-STING通路并促进炎症。在CLP小鼠中，线粒体DNA-cGAS-STING信号促进肠道炎症和肠道屏障功能障碍，用DNaseI去除循环中的线粒体DNA显著减轻此过程。在机制上，宿主的核DNA、线粒体DNA和细菌DNA可以被cGAS识别，而线粒体DNA在cGAS-STING通路激活中的作用程度还有待进一步研究。
在先天免疫反应中，Toll 样受体 9（TLR9）感知来自细菌和病毒 DNA 的未甲基化 CpG DNA 基序（由一个中心胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸加上侧翼区域组成）。然而，随后的一项研究表明，TLR9 也能识别与细菌 DNA 有相似之处的内源性线粒体 DNA。这种相互作用代表了脓毒症中另一条由线粒体调节的炎症通路（图 4）。 实验模型表明，静脉注射线粒体碎片能引发与CLP处理相当的免疫反应。然而，Tlr9 基因敲除（KO）或对线粒体碎片进行 DNA 酶预处理能大大减弱炎症反应，这表明线粒体 DNA-TLR9 轴在脓毒症中起着关键作用。与此一致，TLR9 抑制剂 OND-I 能抑制脂多糖（LPS）刺激的心肌细胞中半胱天冬酶 1 的激活和白细胞介素-1β的产生。此外，Tlr9 基因敲除减少了 CLP 处理后的肾功能障碍和脾脏细胞凋亡，并提高96小时存活率。有趣的是，Plitas 及其同事发现，在 CLP 处理后，Tlr9 基因敲除小鼠比野生型（WT）小鼠表现出了更好的细菌清除能力和更高的存活率。这种保护效应与树突状细胞（DCs）增加粒细胞向腹膜的募集有关。这些发现表明，与其他 Toll 样受体相比，TLR9 在多菌种脓毒症的免疫病理机制中可能扮演更重要的角色。
（未完待续）
