Immunity: 炎症、感染、免疫代谢中的自噬

自噬是具有质控作用、参与代谢的先天免疫过程。当自噬受到干扰时，会对炎症相关疾病产生影响，包括感染、自身免疫、癌症、代谢紊乱、神经退行性疾病以及心血管和肝脏疾病。2021年3月Vojo Deretic在《Immunity》上发表了一篇综述，着重介绍了自噬在炎症中的作用，以及与先天免疫、免疫代谢、细胞器功能的关系。

介绍

自噬是一种基本的生物学过程，其本质是防御、代谢和质量控制，它们在免疫方面相互关联。自噬功能的缺陷通常表现为炎症反应失调。“自噬”一词有时被用来概括所有维持细胞内稳态的溶酶体过程，包括蛋白质、膜和细胞器的更新以及因溶酶体降解而产生代谢前体。这些过程共同促进了细胞适应性和功能性。这篇综述拓展了自噬与炎症之间的联系，并涵盖了炎症中自噬的各个方面，从分子免疫到细胞免疫再到免疫代谢。

自噬途径及其与炎症关系的概述

经典自噬（图1A）与非经典自噬（图1B和1C）相反，可以捕获多种物质（图1D），这包括入侵微生物及其病原体相关分子模式（PAMP）。自噬清除了胞质蛋白的聚集体和凝结物或摄入的细胞外碎片，其中包括损伤相关分子模式（DAMP)。自噬有多种类型：异体自噬（直接消除细胞内微生物），聚集体自噬（去除大分子聚集体或凝结物），线粒体自噬，内质网自噬（也称为网状吞噬），过氧化物酶体自噬，溶酶体自噬等。一般情况下，自噬的细胞质清除功能在任何能够激活自主炎症的细胞中均具有抗炎作用。自噬通过调整线粒体和内质网含量来调节免疫细胞功能，还能影响巨噬细胞和T细胞极化的免疫代谢状态，进一步影响炎症的发生和消退。

自噬受体捕获细胞内容物促进炎症

自噬物质通常会被泛素等标签标记，这些标签被称为广谱选择性自噬受体（SLR），它们在各种靶标的细胞质中巡逻，参与多种形式的抗炎自噬。通常，选择性自噬受体通过与哺乳动物Atg8旁系同源物结合的专门基序（例如LC3相互作用区域[LIR]）与自噬分离膜相互作用。LC3B是自噬膜的原型标记（图1A和1D）。令人惊讶的是，自噬受体结合mAtg8的能力并不是必不可少的，即使所有mAtg8都不存在，线粒体自噬的初始阶段也会发生。这表明将受体附着于自噬体膜上还有其他方式（图1A）。

总而言之，自噬受体通过将特定物质与自噬体连接，可以协助清除外源性和内源性炎症。 

自噬的抗微生物和抗炎功能是相互联系的

研究表明，自噬可作为细胞自主的抗微生物防御机制。已证明自噬是由eIF2a激酶PKR（EIF2AK2）诱导的，它是先天应答的一部分，可在多种DNA和RNA病毒感染的情况下识别双链RNA（dsRNA）。自噬被系统性地认为是真正的免疫过程，很大程度上是由于发现自噬可以消除多种细胞内细菌，例如结核分枝杆菌和链球菌。

自噬捕获和消除细胞内微生物的形式称为异体自噬。异体自噬取决于选择性自噬受体对病原体的识别（图1D）。这些受体检测出调理过的病原体。调理素可以是SLR识别的泛素或NDP52识别的半乳凝素8（Gal8）。自噬原则上可以在渗透细胞质的过程中进入抗体调理过的微生物，有助于体液免疫。此外微生物也可以直接被识别。例如，进入细胞质的HIV衣壳直接与TRIM5a结合，与TRIM5a相关的自噬机制通过TAK1激酶促成炎症信号传导，而转录因子核因子kB（NF-kB）和AP1促成一般性抗病毒状态。在细菌病原体也可以看到自噬和炎症信号的互补协同作用。

总之，在正常情况下，异体自噬和保护性炎症处于平衡状态。当异体自噬失败时，炎症反应会被放大，尽管具有保护性，但这是以造成组织损伤和病理性炎症为代价的。 

自噬和溶酶体在免疫代谢上相辅相成

溶酶体与自噬的开始和完成密切相关。自噬体与溶酶体区室合并的过程称为自噬体成熟或自噬体-溶酶体融合。这样，自噬小体将物质运送出去消化（图1A）。

溶酶体膜可被DAMPs、PAMPs和微生物破坏，或以程序方式渗透。MERiT（膜修复、去除和替换）是多阶段溶酶体稳态反应的重要组成部分，可以防止此类损害（图2A）。MERiT的大多数阶段都是由半乳糖凝集素（Gal3、Gal8和Gal9）驱动和协调的，半乳糖凝集素是一类胞质凝集素，可在膜受损时识别暴露的内腔聚糖，并充当效应分子或募集者。MERiT的第一阶段是Gal3与溶酶体膜损伤期间暴露于细胞溶胶的聚糖结合，并募集ESCRT修复溶酶体膜。第二阶段是通过自噬去除受损的溶酶体，这在ESCRT无法修复溶酶体时起作用。MERiT的最后阶段是溶酶体替换。通过修复、去除、替换来保护溶酶体，从而影响免疫代谢（图2A和2B）和自噬的抗炎作用（图1A，顶部方框），包括去除DAMPs、炎性成分和I型干扰素（IFN）调节剂（图1D）。

溶酶体具有关键的信号传导和免疫功能。AMPK和mTOR是细胞代谢的主要调节剂，两者以相反的方式控制自噬和免疫代谢，深刻影响免疫细胞的功能。mTOR与炎症状态和强大的免疫反应相关，包括T细胞的活化、巨噬细胞的活化、效应T细胞和的产生。AMPK通常与抗炎活性和静止状态的免疫代谢状态有关。AMPK具有刺激分解代谢途径的能力（自噬是其中的一个组成部分），以支持CD4 + T辅助细胞1（Th1）和Th17细胞的扩增以及感染中原代T细胞的反应。

总之，自噬不仅作为AMPK下游分解代谢产物发挥重要作用，而且作为溶酶体的上游进行质量控制，是mTOR和AMPK信号传导以及全身炎症和免疫代谢的平台（图2C）。

一系列非典型自噬过程影响炎症

溶酶体和内体系统也参与“非典型”自噬过程，这些过程利用了部分自噬机制并影响炎症。常见的非典型自噬作用（图1B）是与LC3相关的吞噬作用（LAP）及其变体，如与LC3相关的内吞作用（LANDO）。它们仅使用一部分自噬因子并作用于源自质膜的单膜囊泡即吞噬体和内体（图1B）。另一种称为微自噬的非典型自噬过程包括部分细胞质或特定胞质靶标的直接溶酶体摄取（绕过对双膜自噬体的需要）。最后，单个蛋白质跨溶酶体膜输入进行消化的过程，称为分子伴侣介导的自噬，也会影响免疫细胞。

上述过程许多具有炎症输出作用。通过胞吞作用消除依赖LAP的濒死细胞可以防止过度的炎性细胞因子产生和自身免疫，例如系统性红斑狼疮（SLE）。据报道，LAP在肺炎球菌感染的巨噬细胞中具有抗菌和抗炎作用，在肝损伤的单核细胞中具有抗炎和抗纤维化作用。另外，分泌自噬在GSDMD孔和细胞凋亡之前占主导地位，是炎症因子如HMGB1和白介素（IL）-1b分泌的另一种途径，可能是嗜中性粒细胞释放IL-1b的首选方式。

线粒体自噬调节炎症

线粒体自噬（图2D）与其他平衡系统共同保持线粒体的健康和完整，确保线粒体提供正常的信号转导平台，以响应病毒和细菌PAMPs，适当激活先天免疫力。线粒体自噬和异体自噬可能在宿主-微生物反应过程中共同作用，导致微生物的消除（正常结局）、共生或致病。线粒体是免疫反应的核心，可作为多种先天免疫反应（如MAVS）信号转导的平台，而在病理条件下，线粒体本身可以作为DAMP的来源（例如，线粒体dsDNA；图2D和2E），它们也是免疫代谢的主要贡献者（图2C），在氧化磷酸化和糖酵解之间进行切换，影响着巨噬细胞、树突状细胞、T细胞和其他细胞的活化状态。例如糖酵解在促炎经典活化巨噬细胞中占主导而氧化磷酸化在组织修复中占主导。抗炎细胞因子IL-10抑制巨噬细胞固有的mTOR和糖酵解，促进氧化磷酸化，并诱导线粒体自噬剔除功能障碍的线粒体，并减少线粒体DAMP对炎症的刺激。

当线粒体自噬失败时，线粒体-DAMPs会导致炎症过度，从而引起病理变化。线粒体缺陷与脓毒症、癌症和神经退行性变等有关。NF-kB被称为炎症的关键激活剂，能抑制巨噬细胞中过多的NLRP3-炎症小体的激活。NF-kB为细胞自噬做好了准备，并能促使线粒体自噬，以防止过度分泌IL-1b和巨噬细胞死亡。

总之，适当的线粒体自噬对于平衡对炎症的先天免疫反应至关重要（图2C）。

其他细胞器的自噬会影响炎症

如上所述，溶酶体和内体具有重要作用，而内质网和过氧化物酶体是新兴的细胞器。例如，感染吞噬细胞的革兰氏阳性细菌可释放环二核苷酸（CDN），它与ER中的DNA传感器STING结合（图2E），并诱导ER应激，引发细胞死亡和炎症。这是由内质网自噬和mTOR控制的典型自噬引起的。

过氧化物酶体受选择性自噬（图1D）的影响，与线粒体关系密切。它们是脂肪酸代谢的重要连续体，过氧化物酶体通过β-氧化作用降解了长链脂肪酸，并通过肉碱穿梭线粒体将缩短的酰基辅酶A移交给线粒体，以进一步进行β-氧化作用和偶联，进而合成ATP。过氧化物酶体会降解炎症脂质介体，例如前列腺素和白三烯，在哮喘、过敏症以及潜在的阿尔茨海默病和相关痴呆症中发挥作用，从而限制炎症。

自噬在免疫细胞中起多种作用

自噬支持干细胞样细胞的自我更新，并在分化过程中重塑细胞内部。通常，造血谱系的不同分支受自噬相关基因（ATG）缺陷的影响程度不同。早期缺失ATG似乎主要抑制淋巴谱系并导致骨髓增殖，而髓样细胞尽管显示出高炎症表型，但仍保持正常功能，而树突状细胞即使在没有ATG的情况下也能在免疫反应中发挥许多作用。在幼稚T细胞中，自噬在刺激后被诱导，是外周T细胞以及效应物存活和CD8 +记忆T细胞形成所必需的。自噬是CD8 + T细胞代谢的自主调节剂，对抗肿瘤免疫力有影响。最近，已发现肝脏特异性组织驻留记忆（Trm）CD8 +细胞和称为黏膜相关恒定T细胞的非常规T细胞显示出高自噬水平。增强的自噬可以被肝星状细胞所印记，是Trm细胞中线粒体稳态所必需的。

总之，自噬和自噬因子在不同程度上影响了多种免疫细胞亚群的发育、分化、极化、功能和免疫代谢（图2C） 

自噬抑制炎症信号复合物

炎性小体是被PAMP和DAMP激活的胞质炎性信号复合物。它们通过蛋白水解激活IL-1b，并导致其分泌其他促炎因子。经典的炎性小体由半胱天冬酶原1、ASC衔接子和传感器（如检测微生物产物或无菌内源性激动剂的NLRP1、NLRP3、NLRC4或检测胞质DNA的AIM2和IFI16）组成。炎性小体成分组装后，活化的半胱天冬酶1将胞浆中的IL-1b前体处理成成熟的IL-1b，准备好从细胞中分泌出来。非经典性炎性小体不依赖于ASC和NLRP，而是激动剂（如胞质LPS）直接激活Caspase-11（小鼠）或Caspase-4和-5（人），导致蛋白水解产生Gasdermin D，引起细胞炎性死亡，称为细胞焦亡。在经典和非经典炎症小体之间存在交叉，因为Caspase-1也可以通过蛋白水解激活GasderminD。自噬可以通过去除线粒体DAMP和ROS的来源间接抑制炎症小体的激活。值得注意的是，抗炎因子（如IL-10）通过线粒体自噬降低结肠炎巨噬细胞中功能性线粒体的负担和NLRP3的活性，从而抑制炎症小体的活化。

I型干扰素过多可能导致病理性损伤。自噬因子或自噬本身可以抑制刺激I型IFN产生的蛋白质复合物。自噬的缺乏增强了经由MAVS的RIG-I样信号传导。此外，自噬还进一步抑制了I型干扰素对肠道菌群的反应。

总之，自噬或自噬因子靶向调控关键的细胞内促炎信号传导平台，通过抑制或降解以限制炎症发展。 

TBK1有助于自噬的控制

TBK1以一种特殊的方式在自噬和炎症中起作用（图2E–2H）。TBK1影响着神经性炎症、自身免疫、癌症和病毒感染等疾病。例如，严重的COVID-19与TBK1及I型IFN其他激活途径的遗传多态性有关。TBK1作为激酶，通过RIG-I-MAVS、MDA5-MAVS、cGAS-STING和TLR-TRIF途径激活下游的I型IFN反应，从而响应细胞质dsRNA、dsDNA和其他PAMP。cGAS识别dsDNA并生成第二个信使环AMP-GMP（cGAMP），后者又激活STING和TBK1以诱导IRF3磷酸化并激活I型IFN表达。

除了激活I型IFN外，TBK1还在自噬体形成中起作用，并与自噬受体相互作用使其磷酸化。此外，TBK1与免疫代谢调节剂mTOR和AMPK有直接联系。多个SLR（OPTN1、NDP52、SQSTM1、TAX1BP1）在其抗菌和抗病毒自噬作用中依赖于TBK1获得最佳受体功能。TBK1广泛磷酸化SLR中的多个区域，包括识别自噬体膜上的LC3和货物上的泛素区域。除自噬受体外，TBK1还参与自噬体形成（图2G），并使一部分mAtg8s处于脂化状态（图2H）。总之，TBK1是自噬途径的多方面调节剂，位于I型IFN反应与自噬之间的关键位置。 

自噬通过炎症影响多种疾病

从感染到神经退行性变，自噬在人类疾病中起重要作用。如图3。

神经变性

帕金森病（PD）的发病与炎症相关。一些易患因素，例如α-突触核蛋白（可以充当DAMP刺激PRR）和LRRK2（RIPK家族的成员）与自噬相关。外源性内吞α-突触核蛋白可引起溶酶体损伤并诱导自噬，这也可能是由阿尔茨海默氏病相关tau蛋白引起的。PRKN（帕金霉素，一种E3泛素连接酶）和PINK1（一种泛素激酶）组成的系统（图2D），能够驱动有效的线粒体自噬。在小鼠模型中，当Prkn- /-或Pink1-/-小鼠遭受线粒体压力时，会同时出现炎症和PD症状。这可以通过消除这些小鼠中的STING来挽救。

癌症

自噬在癌症中的作用已被广泛研究。原则上，自噬的细胞自主作用在肿瘤发生期间能抑制肿瘤，也可在已建立的肿瘤中促进肿瘤。FUNDC1是包埋在线粒体外膜中的许多选择性线粒体受体之一（图2D），可在缺氧条件和压力下通过自噬去除死亡线粒体。肝细胞中Fundc1的基因敲除使得线粒体功能异常、炎性小体激活，IL-1b释放及肝细胞增殖，促进肝癌的发生。后期FUNDC1可以通过影响线粒体稳态和对癌细胞的代谢支持原发性肝肿瘤的生长。

癌细胞外源因子（例如肿瘤微环境，甚至更重要的是免疫监视）的作用也同样重要。通过抑制溶酶体功能、激活TFEB及切换为糖酵解，可以将肝癌和黑色素瘤小鼠模型中的肿瘤相关巨噬细胞从交替激活变为抑制肿瘤的经典激活表型，可以减少Treg细胞并增强产生IFN-γ的CD8+ T细胞的抗肿瘤活性。

心血管疾病

心血管疾病与自噬、炎症、免疫代谢以及巨噬细胞在动脉粥样硬化斑块中的作用有关。在小鼠模型中，巨噬细胞中的自噬缺陷与促动脉粥样硬化性炎症小体活化、IL-1b分泌和炎症有关。这归因于巨噬细胞中胆固醇晶体负担的增加，其是动脉粥样斑块的标志。胆固醇晶体如果不溶解，仍会滞留在溶酶体区室中，可能引起溶酶体损害和下游的NLRP3炎性体活化。高蛋白饮食与巨噬细胞中的mTOR活化有关，可抑制线粒体自噬，从而导致斑块进展和不稳定。

传染性疾病

在感染模型中，自噬（或单个ATG基因）的作用揭示了巨大的复杂性。异种吞噬在体内发生时，在控制炎症和组织损伤方面会伴有同等或更重要的自噬作用。缺少Gal3或Gal8的小鼠更容易感染Mtb，这表明MERiT的成分正在发挥作用。

冠状病毒感染与自噬之间存在联系。冠状病毒和自噬都涉及细胞内双膜的形成，尽管它们有所不同。在重度COVID-19的患者中，I型IFN途径（包括针对I型IFN的TLR3和TBK1自身抗体）出现遗传错误以及干扰I型IFN的信号。鉴于I型IFN在COVID-19中的重要作用，以及自噬和I型IFN之间的相互作用，自噬在SARS-CoV-2感染过程中的驱动或抑制炎症反应的作用值得进一步研究。