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本文全面综述了线粒体 DNA（mtDNA）在免疫反应中的作用。阐述了 mtDNA 释放的机制、激活免疫反应的方式，以及在多种疾病（如血管、代谢、肾脏疾病等）中的影响，并探讨了相关研究策略，为理解疾病发病机制和治疗提供新视角。文章发布在《Cell Communication and Signaling》
线粒体是真核细胞细胞质中的半自主细胞器，源于约 14.5 亿年前的内共生事件，由 α - 变形菌与宿主细胞 Asgard 古菌结合而成。其具有双层膜结构，内膜形成嵴并容纳电子传递系统（ETS） 。通过 ETS 的一系列反应，线粒体能够利用氧化磷酸化（OXPHOS）合成三磷酸腺苷（ATP）。除了能量合成，线粒体还参与多种代谢、细胞分化、衰老、死亡和免疫等过程。
线粒体拥有自身的基因组，人类 mtDNA 是一个 16,569 碱基对的环状双链分子，与核基因组（nDNA）不同，它具有多拷贝、高度紧凑、不含内含子的特点。mtDNA 富含非 / 低甲基化的胞苷 - 磷酸 - 鸟苷（CpG）区域，其两条链因鸟嘌呤含量差异分为重链（H 链）和轻链（L 链） 。基因组中包含一个主要的非编码区域（NCR），其中有复制起始点、启动子和位移环（D - loop）等重要调控序列。mtDNA 的复制和转录需要 nDNA 编码的蛋白质参与，且具有组织特异性并受代谢状态调节。
释放到细胞质的机制：mtDNA 释放到细胞质涉及多种机制。mtDNA 不稳定可由参与其复制和转录的蛋白质（如 TFAM、Twinkle、PolG 和 TOP3α ）功能异常引起，导致 mtDNA 包装异常并释放。活性氧（ROS）过度产生、Ca2+超载、线粒体膜去极化和线粒体通透性转换孔（mPTP）开放也会促使 mtDNA 释放，ROS 可氧化 mtDNA 并增加线粒体膜通透性。电压依赖性阴离子通道（VDAC）和 Bcl - 相关 X 蛋白（BAX）/Bcl - 2 同源拮抗剂 / 杀手（BAK）寡聚化形成的孔道同样能使 mtDNA 逸出。此外，自噬 / 线粒体自噬功能障碍、线粒体膜重塑和线粒体衍生小泡（MDVs）的形成也与 mtDNA 释放有关123。
释放到细胞外环境的机制：mtDNA 释放到细胞外主要源于特定类型的细胞死亡，如坏死、坏死性凋亡、铁死亡、焦亡等，这些过程会导致细胞膜破裂，使 mtDNA 进入细胞外空间。此外，功能失调的自噬与胞吐作用的耦合也可引起 mtDNA 释放。研究还发现，呼吸功能正常的线粒体在血浆中存在，提示完整线粒体裂解也可能释放 mtDNA。在细胞外陷阱（ETs）的形成中，mtDNA 也发挥着关键作用，其可由中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞释放，参与免疫防御，但过度产生会对组织造成损害45。
细菌和病毒感染导致的 mtDNA 释放机制：细菌和病毒感染可通过多种独特且重叠的机制促使 mtDNA 释放，如肺炎链球菌可通过溶血素（Ply）形成孔道、分泌 H2O2等方式，脂多糖（LPS）能激活 GSDMD 使线粒体膜通透。病毒则可编码 viroporins 形成亲水孔道，或通过 Ca2+内流、mPTP 开放等机制促进 mtDNA 释放67。
细胞会通过脱氧核糖核酸酶（DNases）来应对 mtDNA 的错误定位，防止免疫反应激活。DNases 可根据定位分为细胞内和细胞外两类，它们能够识别并切割 DNA 的磷酸二酯键。DNase I 和 DNase I - like 3 主要降解细胞外 DNA，DNase IIα （DNase II）和 DNase III 则负责降解错误定位的细胞内 DNA。然而，细胞内环境改变和氧化应激可能会削弱 DNases 的功效，导致 mtDNA 积累并激活免疫反应89。
cGAS - cGAMP - STING 和 ZBP1 - cGAS 通路：cGAS - STING 通路在脊椎动物中高度保守，对免疫反应至关重要。cGAS 可识别多种形式的 mtDNA，结合后催化生成 2,3'- 环鸟苷酸 - 腺苷酸（cGAMP） ，激活 STING 蛋白，进而引发一系列信号转导，最终促进 I 型干扰素（IFN - I）和干扰素刺激基因（ISGs）的转录。近期研究发现，ZBP1 与 cGAS 可协同感知 mtDNA，增强免疫反应1011。
AIM2 炎性小体：AIM2 主要定位于细胞质，可识别双链 DNA（dsDNA）并激活炎性小体信号通路。结合 dsDNA 后，AIM2 发生二聚化，与凋亡相关斑点样蛋白（ASC）相互作用，招募并激活 pro - caspase - 1，促使 IL - 1β 和 IL - 18 成熟并释放，引发细胞焦亡。虽然有研究推测 mtDNA 可激活 AIM2，但相关机制仍需进一步研究1213。
NLRP3 炎性小体：NLRP3 是一种细胞质 DNA 传感受体，可结合非氧化和氧化的 mtDNA 并触发炎性小体形成。其激活机制与 AIM2 类似，激活后可导致 caspase - 1 激活，促使 IL - 1β 和 IL - 18 成熟，引发细胞焦亡。不过，mtDNA 与 NLRP3 的上下游关系尚不明确，且存在相互促进的恶性循环，持续加剧炎症1415。
TLR9：TLR9 可识别细菌和 mtDNA 中的未甲基化 CpG 基序，位于内质网，结合 DNA 抗原后转运至内体并发生切割和二聚化，招募 MyD88，激活 NF - κB、MAPK 和 IRF7 等信号通路，促进炎症细胞因子的转录。循环游离 mtDNA（ccf - mtDNA）可通过与受体晚期糖基化终末产物（RAGE）结合，经内吞作用被转运至 TLR9，激活免疫反应1617。
TFAM 对 mtDNA 免疫原性的调节：TFAM 不仅在 mtDNA 的稳定性和表达调控中起重要作用，还可通过与 TLR4 和 RAGE 结合，直接促进无菌炎症。此外，TFAM 能增强 ccf - mtDNA 与 TLR9 的相互作用，促进其激活。同时，TFAM 可通过核仁自噬参与 mtDNA 的降解，避免触发 cGAS - STING 炎症通路1819。
血管和代谢疾病：在血管疾病中，mtDNA 可激活 cGAS - STING 通路，导致血管炎症、细胞增殖和迁移受抑制、血管再生受阻等。在代谢疾病方面，mtDNA 可激活 AIM2/NLRP3 炎性小体和 TLR9，引发炎症反应，影响代谢功能，如在糖尿病、肥胖症和心血管疾病中均有体现2021。
肾脏疾病：在急性和慢性肾脏疾病中，mtDNA 通过激活 cGAS - STING 通路、AIM2/NLRP3 炎性小体和 TLR9，参与炎症反应和组织损伤的进展。例如，在急性肾损伤（AKI）和慢性肾病（CKD）中，mtDNA 释放增加，导致炎症细胞浸润和肾脏纤维化2223。
肺部疾病：在肺部疾病中，mtDNA 同样参与免疫反应的激活。如在矽肺、特发性肺纤维化（IPF）、哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD）等疾病中，mtDNA 释放增加，激活相关信号通路，导致炎症反应、细胞衰老和组织损伤2425。
神经退行性疾病：神经元对能量需求高，线粒体功能障碍与神经退行性疾病密切相关。mtDNA 释放可激活 cGAS - STING 通路、AIM2/NLRP3 炎性小体和 TLR9，引发神经炎症，在帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD）和年龄相关性黄斑变性等疾病中均有体现，但部分机制仍有待进一步研究2627。
病毒和细菌感染：多种病毒和细菌感染可导致线粒体功能障碍，促使 mtDNA 释放，激活 cGAS、AIM2/NLRP3 和 TLR9 等信号通路，引发免疫反应。不过，病毒也会通过一些机制逃避 mtDNA 引发的免疫反应，如登革热病毒可降解 cGAS，寨卡病毒可切割 cGAS 等2829。
激活 mtDNA 释放的策略：可使用 ROS 诱导剂（如鱼藤酮、重金属等）、质子载体、毒素样离子载体和内质网应激化合物（如毒胡萝卜素、衣霉素等）来促进 mtDNA 释放。此外，通过基因或药物下调 TFAM、基因敲除 DNase II，以及转染合成或外源 DNA/mtDNA 等方法，也能激活 mtDNA 释放或相关信号通路3031。
抑制 mtDNA 释放的策略：使用线粒体靶向抗氧化剂（如 MitoQ、MitoTEMPO）、非线粒体靶向抗氧化剂（如 EGCG、NAC） 、mPTP 抑制剂（如 CsA、NIM811）和 VDAC 寡聚化抑制剂（如 VBIT - 4）等，可抑制 mtDNA 释放。此外，通过基因或药物抑制相关蛋白的功能，也能减少 mtDNA 释放3233。
阻止 mtDNA 与 DSRs 结合的策略：研究 mtDNA 释放的后果时，可通过使用 mtDNA 耗尽的细胞、降低 mtDNA 含量、抑制 mtDNA 复制、过表达或外源性处理 DNase I 或 II，以及下调或耗尽 DSRs 等策略，阻止 mtDNA 与 DSRs 结合，从而研究相关信号通路的变化34。
过去 15 年的研究揭示，mtDNA 释放到细胞质和细胞外环境后，可通过结合多种 DSRs 引发炎症反应，它不仅是线粒体功能障碍的标志物，还作为自分泌和旁分泌信号参与细胞和器官间的免疫信号传导。未来研究应聚焦于 mPTP 释放 mtDNA 的机制、mtDNA 和 nDNA 的精确检测、mtDNA 的定性分析、mtDNA 释放和结合 DSRs 的时空检测，以及开发新的分子工具等方面，以更好地理解 mtDNA 释放在病理生理学中的作用，为相关疾病的治疗提供新的靶点和策略。
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