Cell Reports | 蒋辉实验室揭示线粒体嵴损伤导致线粒体DNA释放和炎症反应

2022年12月6日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院蒋辉实验室在《Cell Reports》杂志在线发表题为“Mitochondrial cristae architecture protects against mtDNA release and inflammation”的研究论文(DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111774)。文章首次构建了靶向线粒体蛋白组的sgRNA敲除文库，通过CRISPR/Cas9高通量筛选发现线粒体嵴结构损伤是诱导线粒体DNA释放、引发cGAS-STING依赖的I型干扰素反应的重要原因。

线粒体是细胞代谢和能量供应中枢，干扰线粒体功能经常抑制细胞生长甚至导致细胞死亡，因此靶向全基因组的gRNA筛选经常丢失线粒体基因，导致假阴性。与本研究相关的例子是研究I型干扰素反应的两个全基因组筛选(Cell, 2017 (PMID:29033128); mBio, 2020 (PMID:32156810))没有筛到任何编码线粒体蛋白的基因。为了克服这一技术障碍，本研究首先设计了靶向已知线粒体蛋白组的sgRNA文库。其次，在MEF细胞中构建了I型干扰素反应的报告系统，以绿色荧光蛋白的表达量来指示反应的强度。

靶向线粒体的CRISPR敲除筛选发现敲除55个基因诱发显著的I型干扰素反应。其中，占比最显著(20/55)且敲除后激活了最强炎症反应的基因簇为调控线粒体内膜嵴形态建成的基因，包括OPA1、MICOS、SAM、MIB、F1FO-ATP合酶、PHB等蛋白复合物的亚基以及负责心磷脂合成的基因等。其余30多个基因大多可以间接影响到嵴形态建成。因此，本研究将重点放在分析线粒体嵴损伤(敲除嵴形态建成基因)与I型干扰素反应的关系。

细胞转录组分析表明，嵴损伤诱导上调最强和最主要的基因聚类为I型干扰素反应。该反应依赖STING但不依赖MAVS，提示线粒体DNA介导了炎症反应。进一步分析表明，嵴损伤导致线粒体DNA释放到细胞质(图1)。并且，去除线粒体DNA可以完全抑制嵴损伤细胞中的I型干扰素反应。因此，线粒体嵴损伤通过释放线粒体DNA激活cGAS-STING通路，从而导致I型干扰素反应。

图1：线粒体嵴损伤导致mtDNA释放到细胞质

左图为野生型和嵴损伤HeLa细胞的染色。红色标记线粒体，绿色标记线粒体DNA，蓝色为DAPI标记的细胞核，白色箭头标记游离在细胞质中的线粒体DNA。EB处理去除了线粒体内和胞质中的线粒体DNA。右图为细胞质中线粒体DNA点数量统计。

本研究的hit之一MTX2是SAM复合物的组成亚基。最近的人类遗传学研究报道MTX2缺失导致人类早衰，将线粒体功能异常与早衰联系在一起(Nat Commun, 2020；PMID：32917887)。之前研究表明早衰病人细胞呈现细胞核异常，导致染色体碎片在细胞质中积累，诱发持续的I型干扰素反应，从而促进衰老发生。本研究发现MTX2敲除并不损害细胞核形态，而是通过释放线粒体DNA导致持续的I型干扰素反应。为了验证MTX2敲除是否在体内也诱导I型干扰素反应，本研究利用AAV病毒递送靶向MTX2基因的sgRNA，在Cas9转基因小鼠肝脏特异性敲除MTX2。敲除MTX2的肝脏强烈激活STING依赖的I型干扰素反应，导致免疫细胞在肝脏的浸润。

综上所述，本研究揭示了线粒体嵴结构损伤是导致mtDNA释放、引发cGAS-STING通路介导的I型干扰素炎症反应的重要诱因(图2)。线粒体嵴结构损伤和炎症是衰老及衰老相关退行性疾病的两个重要特征。本研究在机制上将两者联系到一起，对后续研究线粒体损伤、衰老及衰老相关退行性疾病有着重要的理论和指导意义。

图2：线粒体嵴损伤导致mtDNA释放和I型干扰素反应的模式图

蒋辉实验室的中国农业大学博士研究生何白羽为论文的第一作者，蒋辉博士为通讯作者。论文的其他作者包括蒋辉实验室的于华彤、刘珊珊、万华云、刘思琪、傅松、杨俊，遗传筛选中心的李祺博士、转基因动物中心王凤超博士、核酸测序中心的黄焕伟、电镜中心的姜招弟博士，以及刘清华实验室的张子寒和刘清华博士。该研究由科技部、北京市政府和清华大学共同资助，在北京生命科学研究所完成。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124722016576?via%3Dihub