Nat Immunol | 先红旭等揭示Ox-mtDNA通过pDC诱导TFH发育促进自身免疫性疾病

浆细胞样树突状细胞(pDC) 于1958年首次在人类淋巴结中被发现，后来被证实可在病毒感染后产生大量I型干扰素。pDC以其产生大量I型干扰素的能力, 可导致自身免疫而闻名。

近日， 加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 的Michael Karin团队的先红旭等人在Nature Immunology杂志上发表 了文章Mitochondrial DNA oxidation propagates autoimmunity by enabling plasmacytoid dendritic cells to induce TFHdifferentiation， 首次表明pDC在自身免疫中的影响， 不仅是I型干扰素的产生，更是支持NLRP3炎症小体的激活和白细胞介素-1β(IL-1β)的产生。而 这种致病性 依赖于血液 循环中氧化线粒体DNA （ Ox-mtDNA ） 激活NLRP3炎症小体 。

过去二十年，大量研究发现NLRP3炎症小体和IL-1β与慢性炎症疾病相关。NLRP3炎症小体的激活需要Ox-mtDNA与NLRP3结合，从而诱导胱天蛋白酶-1（caspase-1）成熟，并随后导致IL-1β前体和IL-18前体裂解。在NLRP3炎症小体的典型激活过程中，Karin 团队曾报道， Ox-mtDNA从受损的线粒体中释放出来，使其能够在胞质溶胶中与NLRP3结 合 （ 详见BioArt报道： ； ）【1-4】。然而， 最近 Xian等人的研究发现，Ox-mtDNA可以通过由gasdermin-D (GSDMD) 蛋白形成的孔隙逃逸出细胞 （ 详见BioArt报道： ）【4】，并且在慢性炎症疾病患者的循环中可检测到。 然而血循环中的 Ox-mtDNA 到底只是一个病理生物指标，还是对病理有直接的致病机理却不是很清楚【5】。 而如果 Ox-mtDNA 确实可以致病， 那这种致病机理是否与 mtDNA ( 而非核 DNA )的氧化修饰有关 ?

为了验证 慢性炎症会转化为自身免疫 ，作者向小鼠注射无抗原明矾，以诱导NLRP3炎症小体依赖性腹膜炎，并检测到循环IL-1β和Ox-mtDNA水平升高。 同时 他们发现了许多自身免疫性疾病的特征——包括识别双链DNA (dsDNA) 的IgG抗体；脾脏B细胞滤泡；T滤泡辅助细胞 (TFH) 和生发中心B细胞和边缘区B细胞数量增加；以及肾小球肿大。为了确定细胞循环DNA在此过程中的作用，作者同时注射了DNase，有效地阻止了自身免疫反应的发生。当使用Nlrp3−/−或Gsdmd−/−小鼠时，这些反应同样受到抑制，表明NLRP3炎症小体的必要性。

尽管细胞可以将多种DNA释放到循环系统中，但为了证明 氧化 线粒体 DNA (Ox-mtDNA) 的必要性，作 者利用了一种小鼠模型，其中 8- 氧鸟嘌呤 DNA 糖基化酶 1 （ OGG1 ，负责修复氧化 DNA ） 在线粒体中 过表达，从而直接降低了 Ox-mtDNA 的数量。值得注意的是，这些小鼠在注射明矾后，自身免疫反应的降低程度与 Nlrp3−/− 和 Gdsmd−/− 小鼠相似。

在确定了NLRP3炎症小体、GSDMD和 Ox-mtDNA 的必要性后，Xian等人随后研究了哪些细胞可能对循环中的 Ox-mtDNA 产生反应。他们采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）方法，以精确观察哪些腹腔细胞在明矾注射后激活了DNA传感通路。树突状细胞簇表现出最强的响应，同时经典cDC1、pDC和pDC类似细胞的数量也大幅增加。特别的是，pDC上调了NLRP3炎症小体的许多成分。此外，在腹膜树突状细胞亚群中，只有pDC在明矾注射后在荧光caspases抑制剂(FLICA)检测中显示出caspase-1活性，这表明pDC可能是直接的 Ox-mtDNA 响应细胞。事实上，在BDCA2-DTR转基因小鼠中，pDC的缺失可抑制重复明矾注射引起的下游自身免疫效应 , 说明p DC 的重要性。

为了阐明pDC对 Ox-mtDNA 的响应途径，Xian等人开发了一个体外系统，该系统利用明矾注射小鼠的腹膜pDC。 此前尚未报道过pDC中存在炎症小体活性 ，但外源添加的核DNA (nDNA)、氧化nDNA和mtDNA并未诱导pDC中NLRP3炎症小体的激活，而 Ox-mtDNA 却能诱导pDC的激活并诱导pDC产生IL-21、IL-6、可诱导T细胞共刺激配体 (ICOSL) 和干扰素α (IFNα)。这种活性是pDC特有的，因为cDC1、cDC2和骨髓来源的巨噬细胞对外源性 Ox-mtDNA 没有反应。明矾处理小鼠的pDC 也显示出共刺激蛋白和抗原呈递蛋白 (CD40、CD80 和 MHC II) 数量的增加，这提示作者可能 pDC 直接驱动了 TFH 的发育。当用 Ox-mtDNA 处理的 pDC 与 naïve CD4+ T 细胞一起培养时，pDC 能够驱动表达 BCL6 的 TFH 细胞分化。此外，这些 TFH 细胞还能促使 naïve B 细胞增殖、表达 BCL6，并分化为产生 IgG1 和 IgG2b 的细胞。证明体外产生的 TFH 是有促进 B 细胞分泌抗体功能的。

接下来，为了证明 Ox-mtDNA 的直接致病原理， 作者改用多次直接注射 Ox-mtDNA （非氧化线粒体 DNA 不起作用）的模型，这重现了自身免疫后遗症的发生发展。由于缺乏高效特异的pDC Cre驱动基因，为了特异性敲除pDC中的NLRP3，作者以Nlrp3-/-骨髓与BDCA2-DTR骨髓混合作为供体，构建了混合骨髓嵌合体；经白喉毒素处理后，仅剩下Nlrp3-/- pDC。这些小鼠在注射 Ox-mtDNA 后未出现自身免疫性病理改变，这支持了NLRP3炎症小体在体内pDC中的重要性。此外，CD4+ T细胞中BCL6被特异性敲除的小鼠（这些小鼠不会产生TFH细胞）也没有对 Ox-mtDNA 产生下游自身免疫反应。最后，作者表明IL-1信号传导是 Ox-mtDNA 应答的必要条件，因为 pDC 缺乏IL-1受体1 (IL-1R1)的骨髓嵌合体也未出现自身免疫性病理改变(图1)。

图1

一个主要未解之谜是pDC如何摄取胞外 Ox-mtDNA 并激活NLRP3炎症小体。 有趣的是，外源 Ox-mtDNA 激活pDC需要培养基中的血清IgG，这表明 Ox- mtDNA-IgG复合物可能参与其中。事实上，pDC摄取 Ox-mtDNA 并激活NLRP3炎症小体需要IgG结合的FCγR1受体。进入 pDC 后，mtDNA定位到Toll样受体9 (TLR9)。缺乏TLR9的pDC无法激活NLRP3炎症小体，也不会产生IL-21。由 Ox-mtDNA 激活的 TLR9 信号提供了启动 NLRP3 炎症小体所必需的“信号 1”（NF-κB 激活）。 Ox-mtDNA 还与 pDC 中的 NLRP3 和 ASC 蛋白共定位，表明它逃逸到细胞溶胶中以激活 NLRP3 炎症小体 ( “信号 2 ” ) 。

IL-1信号传导是体内自身免疫发育的必要条件， 但应答细胞的性质尚不清楚 。Xian等人发现，IL-1信号传导是体外TFH细胞发育所必需的，pDC和CD4+T细胞也需要IL-1信号传导，这表明pDC产生的IL-1β以自分泌和外分泌的方式参与TFH的发育，而I型干扰素信号传导则并非必须。事实上，pDC产生IL-21依赖于其自身的IL-1信号传导。这在动物模型中得到了进一步的支持，在该模型中，使用IL-1R拮抗剂阿那白滞素治疗可预防明矾诱导的自身免疫后遗症。最后，pDC表达的IL-21也是TFH分化所必需的（图2）。

图2

Xian等人的研究确定了一系列导致自身抗体产生的相互关联的事件（图3）。最初NLRP3炎症小体被激活，并释放 Ox-mtDNA ，该DNA被pDC摄取，通过TLR9发出信号，进一步激活NLRP3炎症小体。自分泌IL-1β信号导致IL-21产生，IL-21与IL-1β一起诱导TFH细胞发育以及随后的B细胞成熟、类别转换和自身抗体产生。值得注意的是，Xian等人发现分离的人类pDC也能对 Ox-mtDNA 作出反应并诱导TFH细胞发育——这凸显了这项研究的临床应用转化的潜力。

图 3 （ Moshe Arditi & Timothy R. Crother, News & Views, Nature Immunology , 2025, pDCs drive immunopathology by sensing oxidized mitochondrial DNA ）

尽管先前的研究表明IL-21和IL-1β在自身抗体的形成中发挥作用， 但NLRP3炎症小体在pDC中的潜在参与却令人惊讶且兴奋 。pDC以其在病毒感染后产生大量I型干扰素的能力而闻名，并且在各种动物模型中也与调节性T细胞的调节有关。尽管有人认为pDC会随着年龄的增长而从促炎性偏向转变为抑制性偏向，但迄今为止尚未发现它们与炎症体病有关。然而，由于pDC通常难以识别且该领域缺乏研究工具，因此它们在研究中的代表性不足。这项研究将推动对人类和小鼠中此类细胞类型的进一步研究。Xian等人的研究令人信服地证明， Ox-mtDNA 可以驱动自身抗体和自身免疫病理的发展。尽管使用明矾和直接注射 Ox- mtDNA并不能代表正常人类疾病，但作者们重述了使用系统性红斑狼疮（SLE）的pristane模型进行的重要研究，并得出了相同的结果。 总之，这项研究表明，长期接触 Ox-mtDNA 可能是人类自身免疫性疾病的诱因。

这项研究在加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 完成，并得到了 Hal Hoffan 和 Elina Zuniga 等合作者的大力帮助和努力。小鼠品系和腿骨由多位合作者慷慨提供，包括印第安纳大学的 A. Dent、洛克菲勒大学的 J. Ravetch、美国国立卫生研究院的 W. Leonard 和威斯康星医学院的 Y.-G. Chen，以及加州大学圣地亚哥分校的 K. King 和美国国立卫生研究院的 J. Chung。

本研究的第一作者 Hongxu Xian已在威斯康星Versiti Blood Research Institute and Medical College of Wisconsin开始了自己的独立实验室。她的实验室致力于研究线粒体应激如何调控自身免疫性疾病、阿尔茨海默病和癌症中的细胞免疫学。Xian Lab将探讨mtDNA的免疫感应如何促进炎症和自身免疫。利用Versiti Blood Research Institute的优势， Xian Lab 将整合功能基因组学，蛋白质组学与细胞和分子免疫学技术, 与临床医生合作, 探究pDC、CD4 T细胞和小胶质细胞microglia 之间的相互作用以及临床相关应用。如果您有意向参与这些激动人心的免疫学研究， 并与初创实验室的PI密切互动， 请随时通过hxian@versiti.org联系她。

https://www.nature.com/articles/s41590-025-02179-7

制版人： 十一

参考文献

1. Z. Zhong et al., NF-κB Restricts Inflammasome Activation via Elimination of Damaged Mitochondria.Cell164, 896-910 (2016).

2. Z. Zhong et al., New mitochondrial DNA synthesis enables NLRP3 inflammasome activation.Nature560, 198-203 (2018).

3. H. Xian et al., Metformin inhibition of mitochondrial ATP and DNA synthesis abrogates NLRP3 inflammasome activation and pulmonary inflammation.Immunity54, 1463-1477.e1411 (2021).

4. H. Xian et al., Oxidized DNA fragments exit mitochondria via mPTP- and VDAC-dependent channels to activate NLRP3 inflammasome and interferon signaling.Immunity55, 1370-1385.e1378 (2022).

5. H. Xian, M. Karin, Oxidized mitochondrial DNA: a protective signal gone awry.Trends Immunol44, 188-200 (2023).

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