cGAS-STING信號(hào)通路在結(jié)腸癌中的作用機(jī)制研究

王斯煒,蘇文豪,賈雪梅、蔣昊天,黃冰露,董衛(wèi)國(guó), 武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化內(nèi)科 湖北省武漢市 430060

0 引言

結(jié)腸癌是一種常見的消化道惡性腫瘤,好發(fā)于直腸和乙狀結(jié)腸交界處.目前其臨床主要治療原則是早期內(nèi)鏡下治療,中期和晚期主要行手術(shù)治療,佐以放化療、免疫治療等其余輔助治療以縮小腫瘤體積,獲得手術(shù)機(jī)會(huì),減少?gòu)?fù)發(fā)可能,提高生存率.作為一種免疫源性腫瘤,近年來人們開始關(guān)注對(duì)結(jié)直腸癌的免疫治療.除了已有的免疫檢查點(diǎn)抑制劑、細(xì)胞因子、疫苗佐劑等,一種具有輔助免疫治療潛能的信號(hào)通路 -環(huán)磷酸鳥苷-腺苷酸合成酶(cyclic GMP -AMP synthase,cGAS)-干擾素刺激基因(stimulator of interferon gene,STING)通路近年來進(jìn)入人們視野.該通路由于具有調(diào)控下游產(chǎn)生Ⅰ類干擾素[1]、通過其他通路交互作用、胞內(nèi)自噬[2]調(diào)控炎癥等方式干預(yù)結(jié)腸腫瘤周圍炎癥及結(jié)腸癌發(fā)生進(jìn)展; 因此可通過特異性激動(dòng)劑或抑制劑調(diào)控cGAS-STING通路改善腫瘤微環(huán)境,完善機(jī)體腫瘤免疫,以期抑制結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展,達(dá)到治療目的.本文將對(duì)cGAS-STING通路在結(jié)腸癌中的相關(guān)研究加以綜述,并分析該通路在臨床中的應(yīng)用及其利弊.

1 cGAS-STING理化及生化,發(fā)展概述

cGAS(環(huán)磷酸鳥苷-腺苷酸合成酶,cylic GMP-AMP synthase) 又稱 C6ORF150 或 MB21D1,是一種分子質(zhì)量在 60 kDa 的蛋白質(zhì),作為一種存在于胞漿中 DNA 感受器,通過帶正電荷的氨基酸殘基與帶負(fù)電荷的 DNA 磷酸主鏈相互作用.cGAS 與異常出現(xiàn)在胞質(zhì)的 DNA 直接結(jié)合后,cGAS二聚體化并改變構(gòu)象,經(jīng)過一系列的理化變化,最終產(chǎn)生 2'3'-cGAMP[3].

STING又稱ERIS/MYPS/MITA,是一個(gè)由TMEM173基因編碼的多功能接頭蛋白[4,5],包含4個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,分別為二聚化結(jié)構(gòu)域、環(huán)二核苷酸相互作用域,以及與 TANK結(jié)合激酶1(TANK-binding kinase 1,TBK1)相互作用結(jié)構(gòu)域.在靜息狀態(tài)下,STING 呈現(xiàn)出自抑制失活狀態(tài).在與 2'3'-cGAMP 結(jié)合后,STING發(fā)生二聚化反應(yīng)改變構(gòu)象,從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)至核周微粒體.STING可激活TBK1并磷酸化下游轉(zhuǎn)錄因子IRF-3(誘導(dǎo)I型IFN反應(yīng))、信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子6(signal transduction and activator of transcription 6,STAT-6),誘導(dǎo)趨化因子如CCL2,CCL6,CCL20等[6]; 還可通過IκB激酶(IKK)的活性激活核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)[6]等轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生多種下游生物學(xué)效應(yīng).

人們對(duì)cGAS-STING的研究逐漸深刻.cGASSTING通路最早通過對(duì)病毒的固有免疫引起重視,近年來,針對(duì)STING泛素化、磷酸化,調(diào)節(jié)自噬預(yù)防過度免疫反應(yīng)方面的作用也逐漸在多種病理生理事件中進(jìn)行考量.DNA病毒感染宿主細(xì)胞后和模式識(shí)別受體及MDA5產(chǎn)生相互作用,激活下游的cGAS生成cGAMP,后cGAMP與STING的二聚體結(jié)合,激活TBK1-IRF3,NF-κB等信號(hào)通路,最終產(chǎn)生Ⅰ型干擾素.該機(jī)制被證明可通過多種病毒如HSV-1、KSHV、HIV-1中的DNA成分激活并作用于病毒免疫,是構(gòu)成固有免疫的重要組成部分.針對(duì)這一點(diǎn)臨床上已有使用KSHV及HSV-1行瘤內(nèi)注射方式引入腫瘤組織,引起腫瘤微環(huán)境中CD8陽性T細(xì)胞募集及Ⅰ型干擾素的產(chǎn)生,減少宿主腫瘤負(fù)荷,改善預(yù)后的實(shí)例,如圖1[7].

2 cGAS-STING與其他信號(hào)通路相互作用參與結(jié)直腸腫瘤免疫

cGAS和STING對(duì)于抗腫瘤免疫(自然免疫或自發(fā)免疫),對(duì)放療[8]、CD47阻斷劑[1]及免疫檢查點(diǎn)治療[9]改變腫瘤組織的免疫原性起重要作用,是一些腫瘤的臨床干預(yù)靶點(diǎn),也可作為某些腫瘤的預(yù)后的標(biāo)志物.其下游產(chǎn)生的Ⅰ型 IFN是連接固有免疫和適應(yīng)性免疫發(fā)揮抗腫瘤免疫的重要橋梁,因?yàn)槟[瘤微環(huán)境中抗原提呈樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生的Ⅰ型IFN,不僅可以激活固有免疫,同時(shí)促進(jìn)T細(xì)胞的交叉浸潤(rùn)滲透,且cGAMP并不受限于固有的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式,可以通過其他形式介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生更廣泛的區(qū)域免疫應(yīng)答,因此IFN-I作為宿主對(duì)癌癥的免疫應(yīng)答的重要組成部分,具有保護(hù)作用.缺乏IFN-I信號(hào)傳導(dǎo)的宿主表現(xiàn)出更高的腫瘤形成敏感度[10],而IFN-I信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)于NK細(xì)胞抗腫瘤活性的強(qiáng)化[1]及引發(fā)腫瘤細(xì)胞的抗原交叉過程極其重要.

圖1 以樹突狀細(xì)胞局部為例,說明cGAS-STING/TBK1/IRF3/-nucleus DNA生成Ⅰ型干擾素的經(jīng)典通路. A:外源DNA(可來源于破損的自體細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞、逆轉(zhuǎn)錄病毒、細(xì)菌等); B:感測(cè)DNA后,cGAS產(chǎn)生cGAMP和CDNs:2’3-cGAMP結(jié)合cGAS,使cGAS二聚體改變構(gòu)象,后促STING二聚化.STING在高爾基體上與TBK1聚集; C:STING-TBK1/IKK磷酸化IRF3和IkBa,二聚化的磷酸化IRF3入核,產(chǎn)生Ⅰ型干擾素; D:經(jīng)典的NF-κB通路活化,促進(jìn)Ⅰ型干擾素產(chǎn)生; E:該過程可于樹突狀細(xì)胞中發(fā)生,是抗原交叉呈遞的重要環(huán)節(jié); F:產(chǎn)生的Ⅰ型干擾素可作用于腫瘤免疫.DC:樹突狀細(xì)胞.

除了腫瘤本身,腫瘤微環(huán)境[11]、相關(guān)調(diào)控因子[12]及機(jī)體特殊事件也是與腫瘤侵襲及擴(kuò)散相關(guān)的重要環(huán)節(jié).在本文中主要說明腫瘤的相關(guān)調(diào)控因子及特殊事件.近年有研究提示結(jié)腸癌中,腫瘤微環(huán)境中存在的慢性炎癥效應(yīng)募集炎性細(xì)胞釋放至腫瘤微環(huán)境中.其中起重要作用的是巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、T細(xì)胞等[13].它們通過釋放趨化因子、血管生長(zhǎng)因子及基質(zhì)降解酶等,對(duì)腫瘤生長(zhǎng)侵襲起到有利作用.其中NF-κB,MMP(matrix metalloproteinase,基質(zhì)金屬蛋白酶)較為重要.NF-κB在炎癥、天然免疫、后天免疫過程中發(fā)揮樞紐作用.另外,腫瘤微環(huán)境中的免疫細(xì)胞通過產(chǎn)生活性氧和活性氮類化合物,導(dǎo)致周圍組織細(xì)胞DNA損傷,誘發(fā)癌癥.

結(jié)直腸癌是胃腸道中常見惡性腫瘤,其發(fā)病率和病死率高,本病發(fā)病原因至今未明,相關(guān)因素包括結(jié)腸息肉、結(jié)腸慢性炎癥刺激、飲食及遺傳等.結(jié)直腸癌可發(fā)生于結(jié)腸或直腸的任何部位,但以直腸、乙狀結(jié)腸最為多見,可通過淋巴、血液循環(huán)及直接蔓延等途徑,播散至體內(nèi)其他組織臟器.

結(jié)直腸癌是一系列高度異質(zhì)化的疾病,患者個(gè)人的遺傳因素及表觀遺傳存在差異.眾所周知,腫瘤的發(fā)生發(fā)展與異常的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān).目前主要關(guān)注的結(jié)直腸癌相關(guān)信號(hào)通路包括Wnt/β-catenin、Notch、IL-6/JAK-STAT3、PI3K-Akt-mTOR、TGFβ-Smads等信號(hào)通路[14],對(duì)cGAS-STING通路及下游效應(yīng)參與結(jié)腸癌發(fā)展及介導(dǎo)腫瘤免疫方面報(bào)道甚少.

近年來人們對(duì)cGAS-STING通路的認(rèn)識(shí)不斷深刻.關(guān)于其對(duì)腫瘤的作用也從最初的促進(jìn)Ⅰ型干擾素產(chǎn)生作用于腫瘤免疫深化到了增加癌細(xì)胞衰老表型的表達(dá)及促進(jìn)其老化、凋亡.其中最經(jīng)典為cGAS-STINGTBK1-IRF3-Ⅰ型干擾素通路:STING可能誘導(dǎo)Ⅰ型IFN的產(chǎn)生并進(jìn)一步激活抗腫瘤CD8+T細(xì)胞.CRC組織中CD8+T細(xì)胞浸潤(rùn)的增加與更好的預(yù)后相關(guān),CD8+T細(xì)胞啟動(dòng)需要腫瘤細(xì)胞本身[15,16],例如CRC細(xì)胞; 也可能通過樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)I型IFN的產(chǎn)生[17].腫瘤微環(huán)境中,樹突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)中的cGAS-STING通路十分重要,其能夠促進(jìn)交叉呈遞啟動(dòng)并啟動(dòng)腫瘤特異性CD8陽性T細(xì)胞,CD8陽性T細(xì)胞針對(duì)免疫原性腫瘤的啟動(dòng)涉及DC[16,18]產(chǎn)生Ⅰ型干擾素.研究表明,在結(jié)腸腫瘤微環(huán)境中,DC中的IFN-β表達(dá)是STING依賴性的.

在促進(jìn)癌細(xì)胞衰老表型方面,cGAS-STING途徑還可以通過響應(yīng)氧化應(yīng)激、輻射和癌基因表達(dá)等機(jī)制促癌細(xì)胞衰老.有文獻(xiàn)報(bào)道缺乏cGAS和STING的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞[19,20]增殖加速,衰老表型減弱.cGASSTING途徑通過介導(dǎo)Ⅰ型干擾素的產(chǎn)生和衰老相關(guān)的分泌表型因子促進(jìn)衰老[20].

在cGAS-STING與STAT3中,有文獻(xiàn)報(bào)道[21]以斑馬魚為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,發(fā)現(xiàn)cGAMP介導(dǎo)的STING/STAT3軸的激活能夠抑制腫瘤生長(zhǎng)及侵襲,這可能是通過cGAMP上調(diào)IL-2,TNF-α和IFN-γ及STING/STAT3軸介導(dǎo)Ⅰ型IFN和腫瘤浸潤(rùn)的NKT細(xì)胞的誘導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的.這證實(shí)了cGAMP依賴的STING/STAT3軸激活在抑制腫瘤進(jìn)展中起的關(guān)鍵作用.有文獻(xiàn)報(bào)道[22]在Sting-/-小鼠的結(jié)腸組織中,STAT3及IL-6的水平升高,而STAT3是促成結(jié)腸腫瘤發(fā)生的IL-6R的下游效應(yīng)子.這些結(jié)果表明,STING通過減少結(jié)腸中的炎癥來限制結(jié)腸腫瘤發(fā)生,STING可以抑制CRC的敏感性.

cGAS-STING與TGF-β通路多在放療(radiotherapy,RT)與PD-L1抑制劑共同作用,提高惡性腫瘤的客觀應(yīng)答率.有文獻(xiàn)報(bào)道[23]DNA損傷依賴性PD-L1表達(dá)通過ATM/ATR/Chk1激酶活性和cGAS/STING依賴性途徑上調(diào),證明了DNA損傷信號(hào)在誘導(dǎo)PD-L1表達(dá)中的作用.同樣的,該思路在臨床上治療結(jié)直腸癌中也有應(yīng)用[24],在放療的同時(shí)通過放療激活NBTXR3(一種氧化納米顆粒),誘導(dǎo)局部的細(xì)胞破壞和DNA損傷,使cGAS-STING途徑激活,增強(qiáng)放療效果.

STING激活炎性小體:據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,Sting-/-小鼠的結(jié)腸組織中觀察到前胱天蛋白酶1成熟減少和IL-18表達(dá)[22],表明STING上調(diào)了炎性體NLRP3及NLRP6的激活.由此可見,STING可通過活化炎癥小體抑制結(jié)腸腫瘤發(fā)生.

近年來,調(diào)節(jié)STING活性的化合物開發(fā)已引起癌癥治療及疫苗佐劑篩選的重視[25].關(guān)于癌癥治療,目前已完成的工作為模擬內(nèi)源性STING配體cGAMP的修飾環(huán)二核苷酸的開發(fā),該成果已進(jìn)入腫瘤患者的臨床試驗(yàn),作為與免疫檢查點(diǎn)抑制劑共同作用消退腫瘤的策略[26].有文獻(xiàn)報(bào)道[27]一種小分子STING激動(dòng)劑,通過一種協(xié)同作用兩個(gè)對(duì)稱的酰胺基苯并咪唑(ABZI)基化合物的鏈接策略修飾,創(chuàng)建了增強(qiáng)的STING結(jié)合和細(xì)胞功能的鏈接的ABZI(diABZIs).向患結(jié)腸腫瘤的免疫功能正常的小鼠靜脈內(nèi)給予diABZI STING激動(dòng)劑會(huì)引起強(qiáng)烈的抗腫瘤活性,并使腫瘤消退.

值得注意的是,該途徑呈現(xiàn)出對(duì)多種組織來源腫瘤的抑制效果.有文獻(xiàn)[28]報(bào)道,瘤內(nèi)注射STING激動(dòng)劑(包括黑色素瘤、結(jié)腸癌、乳腺癌等)可產(chǎn)生積極的治療效果.基于在腫瘤微環(huán)境下激活該途徑行腫瘤治療的藥理學(xué)方法逐漸進(jìn)入臨床轉(zhuǎn)化治療的重要領(lǐng)域.

與之相應(yīng)的,缺失STING的宿主表現(xiàn)出結(jié)直腸組織的慢性炎癥和異型增生概率增加.有文獻(xiàn)表明在Sting敲除小鼠大腸組織炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)增加,異型增生增加[22].該文獻(xiàn)還表明在CRC發(fā)育的不同階段,結(jié)腸組織和Sting-/-小鼠血清中的促炎因子(如IL-6和KC)水平升高.此外,p-STAT3的水平在Sting-/-小鼠的結(jié)腸組織中上調(diào),后者是IL-6R的下游效應(yīng)子,有助于結(jié)腸腫瘤的發(fā)生[29],表明STING可能通過減少結(jié)腸炎癥來抑制結(jié)腸腫瘤發(fā)生.

3 cGAS/STING作為結(jié)直腸癌評(píng)估預(yù)后的標(biāo)志物

如前文所介紹,cGAS-STING通路能夠產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng),不僅有通過產(chǎn)生干擾素抗腫瘤的作用,還有提示腫瘤預(yù)后及進(jìn)展的作用.有文獻(xiàn)報(bào)道[30]cGAS等胞質(zhì)DNA感應(yīng)和核酸酶相關(guān)基因在結(jié)腸腫瘤組織中高表達(dá).此外,發(fā)現(xiàn)cGAS上調(diào)與早期結(jié)直腸癌有關(guān).對(duì)于非整倍體結(jié)腸癌細(xì)胞的研究指出了染色體不穩(wěn)定能激活cGAS/STING信號(hào)傳導(dǎo),抑制癌細(xì)胞侵襲[31].

結(jié)腸癌與模式識(shí)別受體引起的慢性炎癥有關(guān).cGAS為多種核酸感應(yīng)模式識(shí)別受體中的一種[32].其基因相關(guān)變體,如cGAS rs72960018,cGAS rs9352000,和TMEM173突變累積使具有更多突變的等位基因攜帶者CRC風(fēng)險(xiǎn)成倍增加,其與下游的相關(guān)干擾素基因及干擾素調(diào)節(jié)因子存在復(fù)雜的相互作用[33],該相互作用的抑制可能導(dǎo)致相關(guān)細(xì)胞因子:如最主要的Ⅰ型干擾素、IL-1β、IL-18[34]、IL-22[35]表達(dá)下調(diào)或缺失,最終導(dǎo)致宿主患結(jié)腸癌風(fēng)險(xiǎn)增加.在后續(xù)探究IL-18、IL-22及IL-22BP(IL-22結(jié)合蛋白)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中,報(bào)道[36]STING誘導(dǎo)IL-18上調(diào),進(jìn)一步上調(diào)IL-22BP的表達(dá),IL-22BP負(fù)調(diào)節(jié)IL-22; 而IL-22被證明是促進(jìn)結(jié)腸癌發(fā)生的啟動(dòng)子[35].

STING可以通過多種機(jī)制抑制結(jié)腸腫瘤的發(fā)生,包括(但不限于)抑制炎癥,激活炎性小體和/或誘導(dǎo)Ⅰ型IFN.STING可能通過誘導(dǎo)Ⅰ型IFN的產(chǎn)生并進(jìn)一步激活抗腫瘤CD8+T細(xì)胞.CRC組織中CD8+T細(xì)胞浸潤(rùn)的增加與更好的預(yù)后相關(guān)[15,16].此外,有文獻(xiàn)指出[37]在結(jié)腸癌發(fā)生時(shí),STING信號(hào)會(huì)被多種機(jī)制抑制,包括cGAS/STING啟動(dòng)子表觀遺傳沉默,STING錯(cuò)義突變等,導(dǎo)致STING表達(dá)水平無法響應(yīng)宿主DNA損傷相關(guān)事件,不能產(chǎn)生相關(guān)細(xì)胞因子,從而導(dǎo)致宿主免疫受損及癌細(xì)胞免疫逃逸.這體現(xiàn)了cGAS及STING的水平對(duì)結(jié)腸癌的不同階段及預(yù)后提示的獨(dú)特作用.

4 cGAS-STING通路的常見激動(dòng)劑及應(yīng)用前景

cGAS-STING通路本質(zhì)上是構(gòu)成固有免疫的重要部分,該通路的激動(dòng)劑在應(yīng)用于腫瘤治療方面體現(xiàn)出普適性.二甲基氧雜蒽基乙酸(DMXAA),作為第一個(gè)靶向cGAS-STING途徑的藥物[38]雖能夠在多個(gè)品系小鼠體內(nèi)特異性增強(qiáng)IFN產(chǎn)生,但在人體內(nèi)DMXAA與STING作用微弱,不能產(chǎn)生STING激動(dòng)效應(yīng).因此,找到特異性人cGAS-STING激動(dòng)劑成為臨床上癌癥治療的重要策略.

關(guān)于高效特異性的STING激動(dòng)劑,有文獻(xiàn)報(bào)道一種化合物[39]:雙螺二酮哌嗪(DSDP)能夠以依賴功能性人STING而非小鼠STING的表達(dá)的方式誘導(dǎo)細(xì)胞因子應(yīng)答,其表現(xiàn)出了強(qiáng)大的抗病毒抗腫瘤作用.除了cGAMP[40],ADU-S100[41]等小分子激動(dòng)劑外,前文中提到的[27]免疫修飾創(chuàng)建具有增強(qiáng)的STING結(jié)合力和細(xì)胞功能的鏈接的ABZI(酰胺基苯并咪唑)(diABZIs).該化合物能夠高效激活STING,具有強(qiáng)烈的抗腫瘤活性.這標(biāo)志了通過特異性影響免疫過程的免疫修飾構(gòu)建化合物介導(dǎo)腫瘤免疫取得新進(jìn)展.CDNs是一種非常有效的STING激動(dòng)劑,其中值得注意的是將環(huán)狀雙鳥苷酸(c-di-GMP)與單核細(xì)胞增生性李斯特菌聯(lián)合治療表達(dá)腫瘤相關(guān)抗原MAGE-b[42],它能夠增強(qiáng)模型動(dòng)物的抗癌能力,且與5-氟尿嘧啶聯(lián)用時(shí)減少其毒性.CDNs對(duì)體內(nèi)多種腫瘤具有強(qiáng)大的抗腫瘤作用.然而其臨床安全性和可靠性還有待商榷.

5 結(jié)論

cGAS-STING信號(hào)通路作為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)重要的免疫應(yīng)答通路,是構(gòu)成固有免疫的重要部分.cGAS作為一種模式識(shí)別受體,識(shí)別胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)腫瘤細(xì)胞DNA,可通過cGAS-STING-TBK1-IRF3-IFN軸或STAT信號(hào)通路產(chǎn)生Ⅰ型IFN、產(chǎn)生炎性小體等方式參與腫瘤免疫,減小腫瘤體積.然而,cGAS引起的慢性炎癥與結(jié)腸癌相關(guān),且在結(jié)腸癌中cGAS通路被多種機(jī)制抑制,導(dǎo)致STING信號(hào)及后續(xù)干擾素、白介素等細(xì)胞因子分泌水平不足,癌細(xì)胞免疫逃逸; 因此cGAS具有作為早期結(jié)腸癌發(fā)病的標(biāo)志物的潛力.STING可通過激活炎性體和/或誘導(dǎo)I型IFN等途徑抑制結(jié)腸腫瘤的發(fā)生,且能夠在腫瘤微環(huán)境進(jìn)一步募集CD8+T細(xì)胞,明顯改善結(jié)腸癌患者預(yù)后.正因如此,在結(jié)腸腫瘤治療方面,cGAS-STING通路的激動(dòng)劑逐漸進(jìn)入人們視野,目前已經(jīng)篩選出一些具有種屬特異性的cGAS/STING激動(dòng)劑,甚至通過免疫修飾構(gòu)建特異性影響免疫過程的化合物,并且在不限于結(jié)腸癌的多類型腫瘤中具有抑制腫瘤發(fā)展的作用,然而其安全性、可靠性,以及對(duì)不同腫瘤的效果差異仍待研究.