“水刊”Nature Communications教你掌握“流量密码”！科研CP“cGAS/STING+线粒体自噬”火爆出圈！

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今天大仲给大家带来的这篇文章于2024年1月发表在Nature Communications杂志上，题为”Mitophagy curtails cytosolic mtDNA-dependent activation of cGAS/STING inflammation during aging”。在这篇文献中，研究人员对小鼠年龄相关的线粒体自噬变化进行系统和系统的分析，研究线粒体自噬与mtDNA引发的炎症之间的相互作用，并探索线粒体自噬促进策略缓解年龄相关生理衰退的潜力。通过转录组分析确定老年小鼠视网膜中cGAS/STING通路的激活并在小鼠模型和人类细胞中进行验证。全文不仅思路完整，逻辑清晰，还包含cGAS/STING通路和线粒体自噬两大国自然热点，如果你也想搭载“国自然热点”开展研究，申报课题，欢迎来找大仲，大仲这里有超多个性化思路以及专业的生信分析团队为你服务！

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题目：在衰老过程中，线粒体自噬减少细胞内mtDNA依赖性的cGAS/STING炎症激活

影响因子：IF=14.7

研究背景

线粒体自噬被定义为通过自噬机制去除有缺陷或多余的线粒体，可通过PTEN诱导的激酶1(PINK1)/Parkin途径、线粒体自噬受体或线粒体脂质组成的变化介导。有研究表明，自噬水平的调控与衰老具有一定的相关性。在本研究中，研究人员对小鼠年龄相关的线粒体自噬变化进行系统分析，研究线粒体自噬与mtDNA引发的炎症之间的相互作用，并探索线粒体自噬促进策略缓解年龄相关生理衰退的潜力。

研究思路

以下是研究思路:

研究结果

1.线粒体自噬水平在生理衰老过程中增加或保持稳定

研究人员构建mito-QC报告基因的小鼠来评估线粒体自噬，结果显示，老年小鼠的肾脏、大脑、视网膜色素上皮、神经视网膜、小脑和肝脏的线粒体自噬水平明显较高，胰腺、脾脏、肌肉、心脏和肺部的线粒体自噬水平在两组之间没有差异。在分析的大多数器官中观察到PINK1诱导的泛素Ser65位点磷酸化增加，表明年龄相关的线粒体自噬增加是由响应线粒体膜电位扰动的PINK1/Parkin途径驱动的。

2.游离胞质mtDNA触发cGAS/STING介导的I型干扰素反应和炎症老年小鼠

对年轻和年老小鼠的视网膜进行转录组学分析。老年小鼠的视网膜显示出与炎症和对病毒或内源性细胞质DNA的反应有关的几种途径的上调。事实上，前三个正向富集的标志是干扰素应答(IFN-γIFN-α、IFN-γ）和TNF-α信号。使用干扰素进行更精细的分析显示，67.5%的显著上调的差异表达基因(DEG)与干扰素刺激基因(ISG)相对应，并且都参与I型干扰素应答。

干扰素基因环GMP-AMP合成酶刺激因子(cGAS/STING)轴已被确定为mtDNA释放引发炎症的主要传感器和下游效应物之一。与转录数据一致，研究人员观察到cGAS和STING蛋白水平的显著增加，导致下游转录因子干扰素调节因子3(IRF3)的激活，这反映在磷酸化IRF3^Ser396水平的增加。IRF3下游的几个基因(Ifit1、Ifi44、Ifih1、Cxcl10、Rtp4)的转录水平在老年视网膜中也显著上调。

对先前发表的数据(GSE113957)进行转录组学分析，结果显示，老年组显示出最高水平的cGAS/STING介质和下游IRF3靶点，并且相对于所有其他组，干扰素应答(IFN-α，IFN-γ)和TNF-α信号的富集。此外，与其他组相比，在老年组中上调的DEG中，50.3%对应于ISG并被归类为干扰素I型应答基因。对IFIH1和RTP4(IRF3的下游靶点)表达的相关性分析显示，与年龄呈正相关。对年轻人(28岁)和老年人(62岁)的原代人真皮成纤维细胞分析显示，老年人组pUb^Ser65和细胞质DNA病灶水平明显较高。

上述结果表明，随着年龄的增长，PINK1/Parkin介导的线粒体自噬可能选择性上调，以改善线粒体质量控制并抵消mtDNA的释放，从而限制cGAS/STING的激活。

3.老年小鼠线粒体自噬的药理激活可减少神经炎症，改善神经功能

对幼年(6个月)和老年(22个月)小鼠进行神经生理、行为、视网膜免疫组织化学和转录组学分析，脑灌注质谱(UPLC-ESI-QTOF-MS)和阳性对照血浆样品显示，游离UA穿过血脑屏障到达中枢神经系统。通过视网膜电图(ERG)视网膜神经生理学评估，结果显示经紫外光处理的老年小鼠显示出暗视力的改善表明杆状细胞介导的视觉功能得到改善。免疫组织化学表明，UA改善老年小鼠CtBP2+mGluR6+突触的完整性，进一步表明UA促进衰老过程中视觉功能的保存。UA还降低脂质过氧化引起的4-HNE+聚集体，表明线粒体质量控制的改善也可能减少老化视网膜中的氧化应激。光学相干断层扫描(OCT)分析显示，没有重大的形态学变化且主要视网膜细胞类型的数量没有变化。

至关重要的是，UA刺激线粒体自噬降低衰老视网膜中胞质DNA(图5a)和DNA结合cGAS(图5a)的水平。此外，干扰素应答(IFN-α，IFN-γ)和TNF-α信号的信号传导是老年小鼠中正向富集的前3个标志(图2b)，也是未治疗的老年小鼠中负向富集的前3个标志(图5b)。老年小鼠在UA诱导有丝分裂后，cGAS/STING介质和下游基因的转录水平也降低(图5c)。传统上，视网膜老化也与神经胶质炎症反应增加有关。UA处理的老年小鼠显示胶质纤维酸性蛋白/GFAP+星形胶质细胞增生显著减少(图5d)，离子钙结合适配分子1/Iba1+小胶质细胞浸润略有减少趋势(图5e)，提示cGAS/STING信号的减少也可能直接减少胶质细胞活化。

图5 在老年小鼠中观察到，UA治疗可减弱cGAS/STING反应的增加

4.UA诱导线粒体生物发生并改善线粒体功能

结果表明UA通过促进线粒体质量控制和消除其触发事件(mtDNA释放)而不是调节下游信号传导来减少cGAS/STING介导的炎症。当细胞与G140共处理时，ABT-737诱导的线粒体自噬明显减少，这表明线粒体自噬确实是对cGAS/STING激活的细胞保护反应。与在小鼠视网膜上的研究结果相似，UA也在ABT-737模型中诱导线粒体生物发生，并略微减少线粒体ROS的产生。最值得注意的是，线粒体呼吸测定分析显示，UA恢复ABT-737处理细胞的基础呼吸和ATP产生，并显著改善备用呼吸能力。

5.UA刺激PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬介导细胞质ABT-737诱导的DNA减少

进一步证实UA通过激活PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬来减少mtDNA释放和炎症反应，从而可能对老年相关的神经退行性疾病具有治疗潜力。

文章小结

本研究发现通过诱导线粒体自噬可减少线粒体mtDNA的释放，进而抑制cGAS/STING激活。这篇文章的实验设计思路是多层面、系统性的，提出线粒体自噬在老化过程中的新见解，特别是在调控与年龄相关的炎症反应方面。科学研究的最终目的就是挖掘新靶点，开发新药物，为患者的治疗提供方向，最终期待治愈患者。看到这篇文章心不心动？是不是也想发高分文章？假如你实验亦或论文遇到了困难，不要焦虑，不妨联系一下大仲？大仲不才，课题设计、生信分析、论文润色等方面都比较擅长，快扫码联系，让大仲成为你科研道路上的护航者吧~