白细胞介素 6（IL6）信号通路对线粒体功能的调控及其与衰老相关性研究进展

IL6 与线粒体功能关系密切，本文揭示其抑制线粒体功能机制，为衰老相关疾病治疗提供思路。

　　

引言

慢性、低度炎症与衰老相关，被称为 “炎症衰老（inflammaging）”，是老年人多种功能障碍的重要因素，也是心血管疾病、慢性肾病、癌症等多种年龄相关疾病的风险因素。随着年龄增长，细胞因子和生物标志物如白细胞介素 6（IL6）、肿瘤坏死因子 α（TNF-α）和 C 反应蛋白等通常会增加，其中血清 IL6 水平升高被认为是人类全因死亡率的预测指标。

在衰老过程中，除了炎症增加，线粒体基因表达和功能下降也是一个显著特征，并且与多种年龄相关疾病相关。例如，在人类的肝脏、大脑、小肠和骨骼肌中，都有与年龄相关的线粒体功能衰退的报道。在骨骼肌中，线粒体功能下降与肌肉量和功能减少的肌少症（sarcopenia）密切相关，表现为线粒体酶活性降低、呼吸能力下降、活性氧（ROS）生成增加和线粒体 DNA（mtDNA）突变等。

线粒体生物发生和功能受转录共激活因子过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 共激活因子 1α（PPARGC1A/PGC-1α）和 PPARGC1B/PGC-1β 调控，它们能激活转录因子如核呼吸因子 1（NRF1）、NRF2、雌激素相关受体 α（ESRRA/ERRα）等，进而调节线粒体基因表达。在人类肌少症肌肉中，PGC1α 和 ERRα 蛋白含量下降，而在小鼠模型中过表达或激活 PGC1α 可预防肌少症、神经退行性疾病和非酒精性脂肪性肝炎。

研究人员在衰老啮齿动物的肌少症肌肉中观察到炎症通路增加与线粒体基因通路表达减少之间存在相关性，这表明炎症与线粒体功能障碍之间可能存在联系。因此，他们聚焦于 IL6 诱导的 gp130 信号和 TNF-α 诱导的信号，对这一潜在联系展开研究。

结果

1. IL6^trans信号抑制线粒体呼吸和 ATP 生成：研究人员在先前对大鼠和小鼠的研究中发现，衰老会导致多个组织中炎症信号显著上调，且与肌少症和线粒体基因表达下调同时出现。为探究炎症信号是否导致线粒体基因表达下调，他们在非致癌细胞系 hTERT 永生化视网膜色素上皮细胞系（hTERT RPE-1）中研究 IL6 信号对线粒体功能的影响。IL6 可通过经典信号通路（与膜结合的 IL6 受体（IL6R）结合）或^trans信号通路（与可溶性 IL6 受体（sIL6R）结合）发挥作用，这两条通路都需要 IL6ST（gp130）共受体激活下游 JAK/STAT 信号。由于 hTERT RPE-1 细胞表达低水平的膜结合 IL6R，研究人员用 100 ng/mL sIL6R 和不同剂量的 IL6 处理细胞，结果发现这种组合能强烈诱导磷酸化 STAT3（phospho-STAT3）和磷酸化 STAT1（phospho-STAT1）水平升高。

通过测量氧消耗率（OCR）评估线粒体功能，发现 IL6/sIL6R（100 ng/mL each）处理后，与对照组（仅细胞培养基处理）相比，基础、最大、ATP 相关和 “备用呼吸” 分别下降约 1.5 倍、1.8 倍、1.7 倍和 3 倍。同时，通过引入 ATP 报告基因测量线粒体 ATP 生成，发现 IL6/sIL6R 处理 3 天后，线粒体 ATP 水平比对照组降低约 2 倍。此外，IL6/sIL6R 处理未改变线粒体 DNA 拷贝数，但抑制了线粒体膜电位（MMP）。

2. IL6^trans信号和经典信号抑制原代人类细胞线粒体呼吸：为确定 IL6/sIL6R ^trans信号诱导的线粒体抑制是否在原代细胞中发生，研究人员检测了原代人类骨骼肌衍生细胞（SKMDC）对 IL6 ^trans信号的反应，发现 IL6/sIL6R 处理显著抑制了 SKMDCs 的基础、最大和 ATP 相关呼吸。

为测试 IL6 经典信号对线粒体功能的影响，研究人员使用表达膜结合 IL6R 的人类外周血单核细胞（PBMCs）。用 100 ng/mL IL6 单独或与 100 ng/mL sIL6R 处理 PBMCs，均诱导了 phospho-STAT3。归一化总蛋白后，IL6（100 ng/mL）处理使基础、最大、ATP 相关和备用呼吸分别比对照组下降约 1.3 倍、1.4 倍、1.2 倍和 1.5 倍，该效果与 IL6/sIL6R（100 ng/mL each）处理相似。

3. IL6/sIL6R 在生理相关氧条件下抑制 hTERT RPE-1 细胞线粒体呼吸：线粒体功能受氧水平影响，为研究 IL6/sIL6R 在更生理相关氧条件下对线粒体功能的影响，研究人员在 3% O₂条件下处理 hTERT RPE-1 细胞。结果显示，虽然对照组细胞在 3% O₂下的基础呼吸低于 21% O₂条件下，但 IL6/sIL6R（100 ng/mL each）处理仍显著抑制了基础、最大、ATP 相关和备用呼吸。
4. 高系统水平的 IL6 抑制小鼠骨骼肌线粒体呼吸：为验证 IL6 诱导的线粒体抑制在生理条件下是否发生，研究人员通过水动力递送（HDD）将表达小鼠 IL6 cDNA 的质粒或空载体导入 C57BL/6J 小鼠肝脏，使小鼠过表达小鼠 IL6（mIL6）。7 天后，HDD-mIL6 组血清 IL6 水平显著高于对照组，且 HDD-mIL6 小鼠的股四头肌中 phospho-STAT3 上调，表明全身 mIL6 诱导的信号传导在周围器官发生。通过测量股四头肌的线粒体功能，发现线粒体复合物 I、II 和 IV 的活性有降低趋势，这与 hTERT RPE-1 细胞在 3% O₂条件下 IL6/sIL6R 诱导的抑制作用相似。
5. 激活的 gp130 共受体抑制线粒体呼吸：IL6/IL6R 通过 gp130 共受体发出信号，gp130 也为其他配体如 IL11（与 IL11R 结合）、抑瘤素 M（OSM，与 OSMR 结合）服务。研究人员用 100 ng/mL IL11 + 1 μg/mL sIL11R 或 100 ng/mL OSM 处理 hTERT RPE-1 细胞，发现这些处理诱导的 phospho-STAT3 水平与 IL6/sIL6R（100 ng/mL each）相似，且同样抑制了线粒体呼吸，IL6/sIL6R、IL11/sIL11R 和 OSM 对抑制线粒体呼吸具有叠加效应。此外，IL6/sIL6R 处理增加了 gp130 蛋白，沉默 IL6ST（编码 gp130 的基因）mRNA 可消除 IL6/sIL6R 诱导的线粒体抑制，表明激活的 gp130 信号是 IL6、IL11 和 OSM 抑制线粒体所必需的。
6. TNF-α 不抑制线粒体呼吸和 ATP 生成：为测试 gp130 介导的炎症对线粒体功能影响的普遍性，研究人员检测了另一种与衰老和年龄相关疾病相关的促炎细胞因子 TNF-α。结果发现，TNF-α（10 - 100 ng/mL）诱导 hTERT RPE-1 细胞中 phospho-p65/RELA 并降低抑制性 IkBa/NFKBIA，但未显著抑制线粒体呼吸或 ATP 生成。同样，诱导 NF-κB 信号的 IL1α 也不影响线粒体功能，这表明 IL6/sIL6R 诱导的线粒体抑制不是一般的炎症反应，而是由特定的 gp130 信号通路介导的。
7. IFN-γ 和 IFN-α 对线粒体呼吸的抑制作用较弱：研究人员还测试了干扰素 γ（IFN-γ）和干扰素 α（IFN-α），这两种细胞因子在衰老基因特征研究中其通路均上调。IFN-γ 和 IFN-α（10 - 100 ng/mL）诱导 hTERT RPE-1 细胞中 phospho-STAT1，并显著抑制线粒体呼吸，但抑制程度小于 IL6/sIL6R。
8. IL6/sIL6R 对线粒体的抑制作用由 JAK/STAT 信号介导：IL6/sIL6R 信号通过 JAK 激酶和 STATs（主要是 STAT3）传导。研究人员使用两种泛 JAK 抑制剂巴瑞替尼（baricitinib）或鲁索替尼（ruxolitinib）（1 μM）处理 hTERT RPE-1 细胞，发现这两种抑制剂完全阻断了 IL6/sIL6R 诱导的 STAT3 和 STAT1 磷酸化，同时阻止了 IL6/sIL6R 诱导的基础、最大、ATP 相关和备用呼吸的抑制，以及线粒体 ATP 生成的抑制，表明 IL6/sIL6R 诱导的线粒体抑制依赖于 JAK 激酶。
9. IL6/sIL6R 信号诱导 HIF1α：为了解 IL6/sIL6R 抑制线粒体功能的机制，研究人员对用培养基（对照组）、IL6/sIL6R（100 ng/mL each）处理 3 天的 hTERT RPE-1 细胞进行 RNA 测序（RNA-seq），并将用 TNF-α（100 ng/mL）处理 3 天的细胞作为对照。结果发现，IL6/sIL6R 处理组与对照组相比有 3,609 个差异表达基因（DEGs），TNF-α 处理组与对照组相比有 2,547 个 DEGs。

基因集富集分析显示，IL6/sIL6R 处理组中 “IL6_JAK_STAT3_SIGNALING” 通路高度上调，“HYPOXIA” 和 “GLYCOLYSIS” 通路也特异性上调，而线粒体通路虽未显著富集，但有 64 个线粒体相关基因下调。进一步研究发现，IL6/sIL6R 增加了 HIF1α 蛋白，其 mRNA 水平也升高，且 IL6/sIL6R 处理的细胞中 HIF1α 蛋白的稳定机制与缺氧模拟剂 CoCl₂处理的细胞不同。

10. IL6/sIL6R 诱导的线粒体功能抑制依赖于 HIF1α：为测试 HIF1α 上调是否是 IL6/sIL6R 抑制线粒体功能的原因，研究人员用 siRNA 沉默 hTERT RPE-1 细胞中的 HIF1A mRNA，然后用 IL6/sIL6R 处理。结果发现，沉默 HIF1A mRNA 增加了基线线粒体 ATP 生成，使细胞对 IL6/sIL6R 诱导的线粒体 ATP 抑制产生抗性，同时增加了基础、最大和 ATP 相关的线粒体呼吸，增强了最大和备用呼吸。此外，沉默 HIF1A mRNA 降低了对照组 hTERT RPE-1 细胞的糖酵解，但 IL6/sIL6R 处理在沉默 HIF1A 的细胞中增加了糖酵解，可能是因为沉默 HIF1A 导致 HIF2A 上调。
11. IL6/sIL6R 诱导的线粒体功能抑制与其诱导 HIF1α 蛋白的能力相关：研究人员测试了多种细胞系对 IL6/sIL6R 处理的反应，发现只有 BJ-5ta 细胞在 IL6/sIL6R 处理后 OCR 显著抑制，且只有 BJ-5ta 细胞的 HIF1α 蛋白水平与 hTERT RPE-1 细胞相当。沉默 BJ-5ta 细胞中的 HIF1A mRNA 也使其对 IL6/sIL6R 诱导的呼吸抑制产生抗性，表明 HIF1α 蛋白增加是 IL6/sIL6R 抑制线粒体功能所必需的。
12. IL6/sIL6R 通过 JAK1/STAT1/3 诱导 HIF1α 并抑制线粒体功能：研究人员进一步研究 IL6/IL6R/gp130 下游的信号级联，发现 JAK 抑制剂巴瑞替尼和鲁索替尼可阻止 IL6/sIL6R 诱导的线粒体抑制和 HIF1α 蛋白增加。沉默 JAK1 mRNA 可阻止 IL6/sIL6 诱导的 HIF1α 蛋白增加和线粒体抑制，而沉默其他 JAK 家族成员（JAK2、TYK2）则无此效果，表明 JAK1 是 IL6/sIL6R/gp130 信号级联的主要 JAK。

沉默 STAT3 或 STAT1 mRNA 可部分降低 HIF1α 上调，但不能完全阻止线粒体抑制，而同时沉默 STAT3 和 STAT1 mRNA 可阻断 HIF1α 蛋白增加和线粒体抑制，表明两者均是必需的，且 STAT3 可能起更主要作用。此外，激活 STAT3 或 STAT1 可抑制线粒体呼吸，进一步证明 IL6/sIL6R 诱导的 HIF1α 表达和线粒体抑制是由 JAK1 - STAT1/3 轴介导的。

13. ESRRA/ERRα 是 JAK1 - STAT1/3 诱导的线粒体功能抑制的下游介质：研究人员之前在老年大鼠中的研究表明，ESRRA/ERRα 与肌少症骨骼肌中的线粒体衰退密切相关。在本研究中，RNA-seq 显示 IL6/sIL6R 信号降低了 hTERT RPE-1 细胞中 ESRRA mRNA 水平。ERRα 是一种孤儿核受体，与共激活剂 PGC1α 或 PGC1β 相互作用可诱导其作为转录因子的活性。

研究人员构建了可诱导表达 ERRα 和 PGC1α 的 hTERT RPE-1 细胞系，发现诱导 ERRα 和 PGC1α 表达可增强线粒体呼吸，而沉默内源性 ERRα 可阻止 PGC1α 过表达诱导的线粒体呼吸增加。此外，激活的 ERRα 可在无 PGC1α 的情况下诱导线粒体呼吸，表明 ERRα 介导了 PGC1α 诱导的线粒体呼吸。

14. PGC1α 与 HIF1α 竞争调节 ERRα 以介导线粒体反应：染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析表明，HIF1A 和 ESRRA 都是 STAT1 和 STAT3 的下游靶点，且 ERRα 与 HIF1α 相互作用，可抑制 HIF1α 泛素化，减少其降解。研究发现，诱导 ERRα 过表达可增加 HIF1α 蛋白水平，但不增加线粒体 OCR。

ERRα 的 AF2 结构域与 HIF1α 和 PGC1α 都有结合，IL6/sIL6R 处理对 ESRRA mRNA 表达有双相影响，早期增加，后期减少，这与 HIF1α 诱导有关。过表达 PGC1α 可降低 IL6/sIL6R 处理细胞中的 HIF1α 蛋白丰度，表明 PGC1α 可与 HIF1α 竞争结合 ERRα，使 HIF1α 降解。

15. PGC1α 和 VP16 - ERRα 可挽救 IL6/sIL6R 诱导的线粒体抑制：研究人员发现，在 IL6/sIL6R 处理同时沉默 HIF1A mRNA（预防模式）可减轻对线粒体功能的抑制，但在 IL6/sIL6R 处理 3 天后沉默 HIF1A mRNA（挽救模式）则不能逆转抑制，可能是因为 hTERT RPE-1 细胞中缺乏激活 ERRα 所需的 PGC1α。

过表达 PGC1α 或 PGC1β 在预防和挽救模式下均可减轻 IL6/sIL6R 对线粒体呼吸的抑制，且 IL6/sIL6R 处理可增加 PGC1α 和 PGC1β 过表达细胞的最大和备用呼吸率。诱导 VP16 - ERRα 过表达在预防和挽救模式下也可对抗 IL6/sIL6R 对呼吸参数的抑制，但与 PGC1α 过表达不同，先经 IL6/sIL6R 处理 3 天再诱导 VP16 - ERRα 过表达的细胞线粒体呼吸低于仅诱导 VP16 - ERRα 过表达的细胞。

讨论

血清 IL6 水平随年龄增长而增加，与身体机能下降相关，线粒体功能也随年龄下降，但其机制尚不完全清楚。本研究表明，年龄诱导的 IL6 通过经典或^trans信号，以及其他 gp130 家族细胞因子，在 PGC1 表达低时，利用 gp130/JAK1/STAT1/3 轴抑制线粒体功能，该效应在多种细胞系和体内均存在。

IFN-γ 或 IFN-α 也可抑制线粒体呼吸，但程度较轻，而 TNF-α 和 IL1α 则不抑制线粒体功能，TNF-α 处理的细胞基础和 ATP 相关呼吸略有增加，且 TNF-α 可能使细胞对 IL6 更敏感，增加通过 gp130/JAK1/STAT1/3 轴抑制线粒体的风险。

研究揭示了 IL6/sIL6R/gp130 诱导 HIF1α 蛋白增加的独特机制，与经典的 HIF1α 调节不同，且 HIF1α 蛋白可被 ERRα 稳定。ERRα 作为线粒体生物发生的主要调节因子，在 PGC1 表达低时与 HIF1α 相互作用，抑制 ERRα 的转录活性，影响线粒体功能。

PGC1α 通过与 ERRα 结合，可对抗 IL6/sIL6R 对线粒体的抑制作用，减少 HIF1α 蛋白水平。运动可上调 PGC1α 表达，同时短暂增加 IL6 分泌，这种情况下的 STAT3 信号短暂增加可能通过促进 ESRRA 表达而有益于线粒体。

然而，衰老会导致某些机制降低 PGC1α 水平，如组蛋白去乙酰化酶 4 的上调，在年龄诱导的 JAK/STAT 信号背景下，PGC1α 的缺失会进一步危及线粒体活性

总体而言，这项研究深入揭示了 IL6 信号通路与线粒体功能之间的复杂关系，尽管存在局限性，但为后续研究指明了方向，有望推动衰老相关疾病治疗方法的发展，为改善老年人健康状况带来新的希望。