Mol Cell | 溶酶体损伤触发炎症反应的机制|介导|免疫性疾病|溶酶体|炎症反应|线粒体|细胞膜|蛋白

撰文 |zZ

溶酶体损伤对于细胞是一个极其危险的信号，然而关于细胞如何整合信号通路去应对溶酶体损伤的机制尚不清楚。已知的是损伤的溶酶体可能会诱导线粒体外膜渗透或线粒体重塑并参与到一系列先天性免疫反应中【1,2】，但目前尚未明确其中具体的分子机制。

近日，来自哥伦比亚大学艾尔文医学中心的Ryan Gaudet小组在Molecular Cell上发表了题为The human antibacterial factor APOL3 couples lysosomal damage to mitochondrial DNA efflux and type I IFN induction的文章。该研究发现了一条免疫诱导通路并解释了溶酶体损伤如何触发炎症反应。简而言之即为细胞在IFN-γ的刺激下，会诱导表达抗菌蛋白APOL3；当APOL3感知到溶酶体损伤时，会破坏细胞自身的线粒体内膜，从而引起线粒体DNA外流，进而激活先天性免疫反应。

在这篇文章之前，本文作者Ryan Gaudet等曾于2021年首次在

Science

发表了关于 APOL3 如何杀死细胞内的病原体的文章。 APOL3 是一种具有类似去垢剂活性的人类载脂蛋白，由 IFN-γ 诱导表达后，能够直接靶向宿主细胞内的细菌，并通过溶解细菌的细胞膜将其分解为脂蛋白复合物而杀死细菌。有趣的是，他们还发现，A POL3 首先被募集到细菌损伤的宿主溶酶体结构上，并且即使在无菌情况下引起的溶酶体损伤也足以招募 APOL3 到受损溶酶体，暗示 APOL3 并不直接识别细菌，而是识别受损的溶酶体。

为了进一步研究APOL3是否能够识别无菌情况下的受损溶酶体，本文中作者首先在细胞内敲除了APOL3基因，并用LLOME来诱导轻微的溶酶体损伤，之后对野生型和APOL3-/-细胞进行RNA测序。测序结果表明，在IFN-γ诱导后，相较于野生型细胞，APOL3-/-细胞中的干扰素诱导基因(interferon-stimulated genes,ISGs) mRNA水平下降。并且，他们还发现溶酶体损伤后ISGs基因的蛋白表达，例如IFN-β在APOL3-/-细胞中也有所下降。说明在受到IFN-γ的细胞内，溶酶体损伤引起的ISGs基因上调需要APOL3. 除了溶酶体之外，作者还对高尔基体，细胞膜和线粒体进行了损伤检验，发现APOL3只是细胞应对溶酶体损伤必须的。为了进一步验证溶酶体损伤才是激活APOL3介导的I型IFN反应的特异事件，作者还在免疫细胞、非免疫细胞、细菌/病毒诱导的溶酶体损伤进行了测验，结果表明溶酶体损伤确实是诱导该事件的关键信号。为了确定I型IFN的来源，他们敲除了一系列能够启动IFN信号通路的模式识别受体，包括TLRs, cGAS, STING, RIGI, MDA5, 结果表明APOL3 能够特异性增强由短暂溶酶体损伤引发的 cGAS 激活。

cGAS一般能被线粒体DNA (mtDNA) 或者核DNA激活。为了确定溶酶体损伤后激活cGAS的DNA的来源，作者用免疫共沉淀拉下与FLAG-cGAS互作的DNA并对其进行qPRC验证，发现在溶酶体损伤的细胞中，激活cGAS的DNA广泛来源于线粒体，并且此mtDNA来源依赖于APOL3. 然而，敲除APOL3或IFN-γ都不影响BAK/BAX依赖的mtDNA外流，说明APOL3增强的mtDNA外流以及外流引起的cGAS激活只特异发生在溶酶体损伤时。作者进一步通过CRISPR/Cas9 knock-in分析了细胞内源的APOL3的定位。他们发现在LLOME诱导的短暂的溶酶体损伤后，APOL3先是聚集在受损溶酶体附近，随后转移到了线粒体上，这种现象也广泛发生其他条件诱导的溶酶体损伤的情况下，比如说SiO2处理过的巨噬细胞，被细菌感染的Hela细胞等。综合上述APOL3增强mtDNA外流的结论，这些数据说明在溶酶体损伤后，APOL3可能通过直接转移到线粒体来增强mtDNA外流。

BAX/BAK是线粒体外膜通透化不可或缺的蛋白。很有趣的是，作者发现敲除BAX/BAK会完全抑制APOL3在溶酶体损伤后的线粒体定位，以及LLOME引起的mtDNA外流和ISGs的上调。然而BAX在线粒体上的定位并不依赖于APOL3. 说明线粒体外膜通透化可能是APOL3被募集到线粒体上的必要条件。此外，在LLOME引起的溶酶体损伤的前提下，作者还利用CCCP/Mdivi-1或者MG132诱导不依赖于BAX/BAK的线粒体外膜损伤，发现也可以引发APOL3的线粒体定位和mtDNA外流。说明APOL3的线粒体定位同时依赖于溶酶体损伤和线粒体损伤。

根据以往的研究我们知道APOL3会特异性水解带负电的、无胆固醇的脂质双分子层，比如说细菌的细胞膜。但我们也知道根据线粒体的内共生假说，其实线粒体内膜也仍保留细菌细胞膜的许多特征，那么有没有可能这就是为什么APOL3可以破坏线粒体内膜并释放mtDNA呢？为了回答这个问题，作者在体外重构了类似线粒体内膜或外膜的脂质体，发现体外纯化的APOL3确实偏好水解线粒体内膜样脂质体，并且这种偏向性是由于内膜中特有的心磷脂富集。为了验证APOL3是否可以通透真正的线粒体内膜，作者从细胞中纯化线粒体，并在在体外加入纯化的BAX蛋白和APOL3蛋白处理后，检测到大量的mtDNA外流。进一步的研究显示，APOL3能直接水解线粒体内膜是通过选择性溶解膜中的心磷脂。随后，作者通过对APOL3进行一系列突变分析，确定其去垢剂类似活性和线粒体定位对于mtDNA外流都不可或缺。

接下来，作者继续探讨了APOL3介导的线粒体内膜通透和细胞凋亡的关系。研究发现，LLOME诱导的溶酶体损伤所触发的APOL3反应事件并不会引起显著的细胞凋亡。在传统的细胞凋亡过程中，线粒体外膜破裂通常会释放大量cytochrome c, 而mtDNA的释放往往滞后于cytochrome c。作者假设APOL3介导的线粒体内膜通透可能提高mtDNA的释放效率。通过检测mtDNA结合蛋白TFAM的信号，他们发现溶酶体损伤确实导致更多的mtDNA的外流。进一步的免疫共沉淀实验表明，在轻微溶酶体损伤且无细胞死亡的情况下，APOL3引起的线粒体内膜通透可以使触发 cGAS-mtDNA 相互作用所需的线粒体外膜通透水平降低至亚致死水平，从而允许活细胞产生 I 型IFN。作者最后探讨了APOL3如何被募集到线粒体上。已知磷脂翻转酶-3(phospholipid scramblase-3,PLSCR3) 能将线粒体内膜的心磷脂外翻出来并从内膜转移到外膜，研究也发现正是PLSCR3介导的心磷脂外翻募集APOL3到线粒体上，从而促进mtDNA外流并激活cGAS下游通路。

总体而言，这篇文章系统地阐明了一个由APOL3介导的免疫信号通路。在IFN-γ刺激下，APOL3能特异地响应溶酶体损伤，并通过对心磷脂的识别定位到线粒体上，进而通透线粒体内膜，促进mtDNA外流激活cGAS信号通路，并使活细胞在不凋亡的情况下产生I型IFN,实现溶酶体损伤与免疫信号的有效连接。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.01.029

制版人：十一

参考文献

[1] Wang, A., Chen, C., Mei, C., Liu, S., Xiang, C., Fang, W., Zhang, F., Xu, Y., Chen, S., Zhang, Q., et al. (2024). Innate immune sensing of lysosomal dysfunction drives multiple lysosomal storage disorders.Nat. Cell Biol.26, 219–234. https://doi.org/10.1038/s41556-023-01339-x.

[2] Bussi, C., Heunis, T., Pellegrino, E., Bernard, E.M., Bah, N., Dos Santos, M.S., Santucci, P., Aylan, B., Rodgers, A., Fearns, A., et al. (2022). Lysosomal damage drives mitochondrial proteome remodelling and reprograms macrophage immunometabolism.Nat. Commun.13, 7338. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34632-8.

[3] Gaudet, R.G., Zhu, S., Halder, A., Kim, B.-H., Bradfield, C.J., Huang, S., Xu, D., Mamin˜ ska, A., Nguyen, T.N., Lazarou, M., et al. (2021). A human apolipoprotein L with detergent-like activity kills intracellular pathogens.Science373, eabf8113. https://doi.org/10.1126/science.abf8113.

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（*排名不分先后）