環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷-腺苷酸合成酶-干擾素基因刺激因子信號(hào)通路與非感染性炎性疾病的相關(guān)性研究進(jìn)展

于華祥，芮海英，韓子琦，李若川，劉路路，薛 麗，陳玉國(guó)

山東大學(xué)齊魯醫(yī)院急診科胸痛中心 山東省急危重癥臨床醫(yī)學(xué)研究中心 山東大學(xué)急危重癥醫(yī)學(xué)研究所 山東省衛(wèi)生系統(tǒng)急危重癥醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省高等學(xué)校心肺腦復(fù)蘇研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東省急危重癥防治工程實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250012

陳玉國(guó) 電話：18678812777，電子郵件：chen919085@sdu.edu.cn

生物體的固有免疫系統(tǒng)利用模式識(shí)別受體特異性識(shí)別病原相關(guān)分子模式，以檢測(cè)病原體入侵及自身異常。作為胞質(zhì)DNA感受器，環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷-腺苷酸合成酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)可被外源DNA、損傷細(xì)胞釋放的 DNA、線粒體泄漏的DNA以及胞內(nèi)產(chǎn)生的微核活化，催化產(chǎn)生第二信使環(huán)鳥(niǎo)苷酸-腺苷酸(cyclic GMP-AMP，cGAMP)，cGAMP進(jìn)一步激活干擾素基因刺激因子(stimulator of interferon gene，STING)，促進(jìn)Ⅰ型干擾素(interferon，IFN)和干擾素刺激基因(interferon-stimulated gene，ISG)的表達(dá)，在宿主抵御外界病原菌的入侵中發(fā)揮了重要作用，同時(shí)Ⅰ型IFN和ISG(包括CXCL10、IFIT 1、IFIT3、IRF7、ISG15、CD14)作為免疫相關(guān)細(xì)胞因子，在cGAS-STING通路過(guò)度活化時(shí)與機(jī)體多種系統(tǒng)疾病的炎癥反應(yīng)密不可分。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)cGAS-STING信號(hào)通路與多個(gè)系統(tǒng)非感染性炎性疾病有密切聯(lián)系，提示其在生命體中的廣泛作用。本文綜述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)cGAS-STING信號(hào)通路在非感染性炎性疾病方面的研究進(jìn)展。

cGAS-STING通路

cGAS及STING的發(fā)現(xiàn)2013年，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)DNA暴露于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)時(shí)，在細(xì)胞質(zhì)中能產(chǎn)生cGAMP，這種能催化產(chǎn)生cGAMP合成的酶，被命名為cGAS[1]。cGAS是機(jī)體內(nèi)分布最廣泛的細(xì)胞質(zhì) DNA 感受器。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)除細(xì)胞質(zhì)外，cGAS在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)膜中也有分布，cGAS的不同定位對(duì)于防止cGAS對(duì)自身DNA的異常反應(yīng)以及正確感知病毒感染是至關(guān)重要的。例如：位于細(xì)胞核中的cGAS的活性被核小體抑制，不能催化合成cGAMP，防止cGAS與核自身DNA發(fā)生自反應(yīng)[2]；cGAS的N端結(jié)構(gòu)域與質(zhì)膜中磷酸磷脂酰肌醇相互作用，定位在細(xì)胞膜，這一特點(diǎn)避免其識(shí)別基因毒性應(yīng)激條件下胞質(zhì)內(nèi)異常自身DNA[3]。cGAS與dsDNA結(jié)合后，組裝成2∶2的cGAS-dsDNA寡聚復(fù)合物，使cGAS活化[4]?；罨?，cGAS的催化亞基就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，在GMP的2-羥基和AMP的5-磷酸之間，和在AMP的3-羥基和GMP的5磷酸之間分別形成2’- 5’和3’- 5’磷酸二酯鍵，合成2’3’-cGAMP。STING蛋白能夠錨定于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或線粒體，其C端胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域可通過(guò)募集相關(guān)分子而發(fā)揮重要的信號(hào)調(diào)控作用。STING是胞質(zhì)內(nèi)識(shí)別dsDNA并誘導(dǎo)產(chǎn)生IFN的固有免疫過(guò)程的中心分子。研究者發(fā)現(xiàn)cGAMP被cGAS催化合成后，作為第二信使，與STING結(jié)合，活化的STING從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)位至高爾基體，進(jìn)而招募細(xì)胞質(zhì)中的TBK1并使TBK1自磷酸化，繼而誘導(dǎo)下游IRF3磷酸化。磷酸化的IRF3發(fā)生二聚化后入核與IFN-β啟動(dòng)子結(jié)合，促進(jìn)Ⅰ型IFN以及其他免疫相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)，發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[5]。

cGAS-STING信號(hào)通路的激活與炎癥細(xì)菌、病毒和DNA片段等外源性DNA，外源性反轉(zhuǎn)錄病毒cDNA；部分外源性RNA病毒，微核，細(xì)胞碎片，內(nèi)源性DNA等多種物質(zhì)可以被cGAS感知，激活cGAS-STING信號(hào)通路[6]。另外，Gehrke等[7]證明在活性氧刺激或紫外線輻射時(shí)會(huì)導(dǎo)致鳥(niǎo)嘌呤氧化為8-羥基鳥(niǎo)嘌呤(8-hydroxy Guanine，8-OHG)，造成自身DNA氧化損傷，也會(huì)引起cGAS-STING信號(hào)通路的激活。在感染的情況下，侵入細(xì)胞質(zhì)中的DNA或RNA病毒、細(xì)菌等病原體被cGAS識(shí)別，激活cGAS-STING通路介導(dǎo)的下游炎癥，炎癥因子介導(dǎo)天然免疫應(yīng)答以抵抗病原微生物感染[6]。在非感染的情況下，各種致病因素或病理刺激導(dǎo)致自身胞質(zhì)DNA的異常釋放也會(huì)激活該通路，從而導(dǎo)致自身無(wú)菌性炎癥，參與了機(jī)體多種組織器官的非感染性炎性疾病[6]。

cGAS-STING信號(hào)通路的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制翻譯后修飾的調(diào)節(jié)作用：(1)翻譯后修飾對(duì)cGAS的調(diào)控：阿司匹林能在Lys384、Lys394或Lys414位點(diǎn)乙?；痗GAS，抑制cGAS活性，減輕Aicardi-Goutières綜合征中DNA誘導(dǎo)的自身免疫炎癥反應(yīng)[8]。(2)翻譯后修飾對(duì)STING的調(diào)控：蛋白磷酸酶PPM1A可使人STING蛋白S358位點(diǎn)去磷酸化，拮抗STING聚集，避免STING過(guò)度激活[9]。蛋白相互作用也可以調(diào)控cGAS-STING通路。cGAS同Beclin- 1相互作用，通過(guò)抑制cGAMP的產(chǎn)生和增強(qiáng)自噬降解胞質(zhì)DNA，避免cGAS的過(guò)度激活[10]?？梢?jiàn)，cGAS及STING分子的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)于避免cGAS-STING通路的過(guò)度激活及其介導(dǎo)的非感染性炎性疾病的治療至關(guān)重要。

cGAS-STING信號(hào)通路與非感染性炎性疾病

cGAS-STING通路介導(dǎo)的Ⅰ型IFN炎癥信號(hào)反應(yīng)，參與了各個(gè)系統(tǒng)非感染性炎性疾病的發(fā)生發(fā)展(圖1)。

神經(jīng)系統(tǒng)Aicardi-Goutières綜合征是一種遺傳性神經(jīng)系統(tǒng)疾病。其由參與核酸代謝的基因突變所引起，例如trex1、RNaseH2和SAMHD1。Trex1基因敲除小鼠多種器官組織中cGAMP和炎性因子水平增加，生存期縮短[11]，而cGAS或STING基因敲除可抑制此現(xiàn)象[12]。提示cGAS-STING通路是Trex1功能缺陷相關(guān)的自身免疫性疾病的關(guān)鍵機(jī)制，為其治療提供了新的見(jiàn)解。

肌萎縮性側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)的發(fā)生與Ⅰ型IFN途徑上調(diào)相關(guān)的神經(jīng)炎癥細(xì)胞因子譜和TDP- 43的細(xì)胞質(zhì)積累相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TDP- 43侵入線粒體并導(dǎo)致線粒體DNA的釋放，可激活cGAS-STING通路驅(qū)動(dòng)下游炎癥，導(dǎo)致ALS患者脊髓樣本中cGAS信號(hào)代謝物cGAMP水平升高[13]。

cGAS-STING通路激活介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥在衰老與年齡相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。例如，亨廷頓病小鼠的線粒體DNA釋放、cGAS激活和神經(jīng)炎癥增加，而褪黑素作為一種由神經(jīng)元線粒體合成的內(nèi)源性自由基清除劑，可以逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象[14]。cGAS-STING的上調(diào)與椎間盤(pán)退行性變的發(fā)生有關(guān)，在H2O2處理的髓核細(xì)胞中抑制cGAS/STING/NLRP3通路，可發(fā)揮抗凋亡、抗炎癥和提高細(xì)胞活力的作用[15]。

P：磷酸化；Ub：泛素化；Ac：乙?；籌RF3：干擾素調(diào)節(jié)因子3

同時(shí)，cGAS-STING通路引起的神經(jīng)炎癥和組織損傷在缺血性中風(fēng)中起重要作用，為缺血性中風(fēng)的治療開(kāi)辟了新的途徑。例如，小膠質(zhì)細(xì)胞中cGAS的缺失可特異性降低腦組織炎癥，減輕小鼠腦缺血再灌注模型的病理?yè)p傷[16]。

研究亦表明，帕金森病也與內(nèi)源性DNA釋放導(dǎo)致的IFN增加有關(guān)。在Parkin或Pink1缺失小鼠中，線粒體應(yīng)激狀態(tài)下導(dǎo)致DNA釋放，激活cGAS-STING信號(hào)通路，而STING的敲除可以減輕帕金森病的炎癥反應(yīng)和神經(jīng)變性[17]。

循環(huán)系統(tǒng)心肌梗死(myocardial infarction，MI)會(huì)出現(xiàn)壞死細(xì)胞中DNA的釋放。研究發(fā)現(xiàn)在小鼠MI模型中，大量壞死心肌細(xì)胞中的DNA片段被心臟巨噬細(xì)胞吞噬而出現(xiàn)在胞質(zhì)中，從而激活cGAS-STING通路，促進(jìn)以IFN為主的炎癥反應(yīng)；與野生型小鼠相比，缺失該通路關(guān)鍵分子的小鼠(包括敲除cGAS、IRF3和IFNAR1)在MI模型中明顯具有較高的早期存活率[18]。與此相一致的是Cao等[19]發(fā)現(xiàn)在小鼠MI模型中，cGAS基因缺失小鼠心臟組織梗死區(qū)中M1型巨噬細(xì)胞顯著減少，M2型巨噬細(xì)胞明顯增多，促進(jìn)心肌組織修復(fù)，改善心室重構(gòu)和提高存活率。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，在人類和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物心臟衰竭中，心臟炎癥引起左心室重塑和功能障礙。TAC模型小鼠左心室組織中cGAS/STING通路被激活，表現(xiàn)出明顯的病理心臟重構(gòu)和左心室功能障礙，抑制cGAS可以提高TAC后的早期存活率，保留左心室的收縮功能，并減弱包括心肌肥厚、纖維化和凋亡在內(nèi)的病理重構(gòu)[20]。

ATM激酶基因突變會(huì)導(dǎo)致共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張(ataxia-telangiectasia，A-T)，伴有多種炎癥表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)在A-T患者及ATM基因缺失小鼠模型中IFN增加，但在ATM-/-STING-/-雙敲小鼠中，這種炎癥表型未見(jiàn)升高，證明ATM基因缺失造成的IFN升高與cGAS-STING通路有關(guān)[21]。

STING的異常突變也會(huì)引起一種致命的兒童自發(fā)炎癥疾病，即STING相關(guān)嬰兒期發(fā)病的血管病(STING-associatedvasculopathy with onset in infancy，SAVI)。SAVI是一種以全身炎癥、嚴(yán)重皮膚血管病變、肺間質(zhì)病變和復(fù)發(fā)性細(xì)菌感染為特征的常發(fā)性疾病。這種STING的異常突變導(dǎo)致IFN信號(hào)激活，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)度炎癥反應(yīng)，威脅患兒生命[22]。

呼吸系統(tǒng)慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種嚴(yán)重的慢性炎癥性疾病，其特征是氣道炎癥反應(yīng)增強(qiáng)。研究顯示COPD患者外周血DNA損傷水平升高，且游離DNA水平可用于識(shí)別預(yù)后不良風(fēng)險(xiǎn)增加的COPD患者[23]。吸煙是COPD的主要原因之一，它導(dǎo)致氧化-抗氧化失衡、DNA損傷、細(xì)胞死亡和隨后的肺部炎癥。dsDNA釋放后cGAS-STING通路激活觸發(fā)的Ⅰ型IFN依賴的肺部炎癥，在香煙誘導(dǎo)的肺損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用[24]，可能是COPD的治療靶點(diǎn)。

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種原因不明的以呼吸困難和肺功能進(jìn)行性惡化為特征的慢性肺纖維化性疾病。其中，矽肺是由于吸入二氧化硅或石英而引起的肺間質(zhì)性疾病，特征是嚴(yán)重肺纖維化和慢性炎癥。STING信號(hào)通路在矽肺患者的肺部被激活，表現(xiàn)為STING過(guò)表達(dá)、磷酸化和二聚體的形成、TBK1和IRF3的磷酸化以及CXCL10的產(chǎn)生，而cGAS或STING的缺失可改善硅引起的肺部炎癥[25]。

另外，一項(xiàng)研究表明，氣道上皮細(xì)胞cGAS缺失顯著降低了卵白蛋白誘導(dǎo)的過(guò)敏性氣道炎癥，提示cGAS-STING信號(hào)通路參與了哮喘的發(fā)病過(guò)程[26]。

在新型冠狀病毒肺炎患者中，細(xì)胞因子水平升高，其中CXCL10、CCL7在重癥患者中顯著增高，CXCL10是一個(gè)典型的ISG，提示1型IFN的激活。且新型冠狀病毒肺炎患者血清游離DNA水平升高[27]。筆者推測(cè)新型冠狀病毒感染后，由于應(yīng)激或組織損傷導(dǎo)致的DNA釋放可能激活cGAS-STING通路，導(dǎo)致1型IFN和炎癥細(xì)胞因子的過(guò)量產(chǎn)生，從而加劇COVID- 19的嚴(yán)重程度。

消化系統(tǒng)在急性胰腺炎小鼠模型中，死亡腺泡細(xì)胞的DNA通過(guò)STING激活促進(jìn)炎癥反應(yīng)，當(dāng)cGAS或STING敲除后，模型小鼠中的胰腺水腫減輕、炎癥和胰腺損傷的標(biāo)志物下降[28]。

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一類非特異性炎性疾病，持續(xù)過(guò)度激活的免疫應(yīng)答是IBD的主要標(biāo)志。Liu等[29]報(bào)道腸道黏膜免疫系統(tǒng)的樹(shù)突狀細(xì)胞通過(guò)cGAS-STING通路監(jiān)視、識(shí)別和處理異常信號(hào)，樹(shù)突狀細(xì)胞對(duì)DNA的識(shí)別異常將造成免疫穩(wěn)態(tài)的失衡，導(dǎo)致炎癥性腸病的易感性增加。

內(nèi)分泌系統(tǒng)代謝綜合征是一種常見(jiàn)的代謝紊亂，主要表現(xiàn)為糖耐量異常、胰島素抵抗、肥胖、高血壓、脂質(zhì)代謝紊亂、組織慢性炎癥。在脂肪組織中，cGAS-STING通路依賴的慢性炎癥在肥胖導(dǎo)致的代謝功能障礙中發(fā)揮重要作用，STING敲除可減輕肥胖引起的脂肪組織炎癥、胰島素抵抗和糖耐量受損[30]。

血液系統(tǒng)濕疹、血小板減少伴免疫缺陷綜合征(Wiskott-Aldrich syndrome，WAS)是一種罕見(jiàn)的X-連鎖的原發(fā)性免疫缺陷病，以血小板減少、出現(xiàn)濕疹、反復(fù)感染及自身免疫和惡性腫瘤發(fā)生率增加為特點(diǎn)。該疾病由血細(xì)胞和免疫細(xì)胞的WAS基因突變，導(dǎo)致WAS蛋白表達(dá)水平降低引起。cGAS/STING通路的激活有助于WAS基因突變細(xì)胞中Ⅰ型IFN的過(guò)量產(chǎn)生[31]。cGAS/STING通路有望成為缺乏合適供者的患者的重要治療方案。

風(fēng)濕免疫系統(tǒng)系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)是一種慢性炎癥性自身免疫性疾病，在SLE患者血清中IFN和多種ISG的表達(dá)升高，并與SLE疾病活動(dòng)相關(guān)[32]。最近研究發(fā)現(xiàn)SLE患者血清中IFN和ISG的表達(dá)升高與cGAS-STING通路有關(guān)[33]，且通過(guò)敲除cGAS或STING，癥狀可以得以改善[34]。

系統(tǒng)性硬化病是一種多系統(tǒng)自身免疫性疾病，以慢性炎癥和進(jìn)行性皮膚和內(nèi)臟纖維化為特征。硬化病相關(guān)間質(zhì)性肺病患者血漿中線粒體DNA升高，cGAS-STING激活以及Ⅰ型IFN和IL- 6表達(dá)升高[35]。

腫瘤近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激、代謝改變和基因不穩(wěn)定性導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞核內(nèi)DNA和線粒體DNA發(fā)生損傷并釋放至細(xì)胞質(zhì)中促進(jìn)cGAS-STING通路激活，進(jìn)而促進(jìn)或抑制腫瘤的發(fā)展。不同類型的腫瘤，cGAS-STING通路在其中發(fā)揮的功能不同。抑制腫瘤：cGAS-STING通路激活的腫瘤內(nèi)免疫細(xì)胞募集對(duì)抗腫瘤免疫至關(guān)重要。cGAS-STING通路激活后促進(jìn)免疫依賴抗原呈遞細(xì)胞將腫瘤抗原提呈給CD8+T細(xì)胞，從而增強(qiáng)T細(xì)胞的抗腫瘤作用。例如，在小鼠結(jié)腸腺癌模型中，使用STING激活劑活化樹(shù)突狀細(xì)胞，促進(jìn)提呈抗原給CD8+T細(xì)胞發(fā)揮抗腫瘤作用[36]。促進(jìn)腫瘤：cGAS-STING信號(hào)通路持續(xù)活化介導(dǎo)的慢性炎癥會(huì)誘發(fā)炎癥所驅(qū)動(dòng)的腫瘤發(fā)生。例如：在二甲基苯丙蒽誘導(dǎo)的皮膚癌模型中，STING信號(hào)通路激活可誘導(dǎo)炎性細(xì)胞因子和皮膚炎癥的產(chǎn)生，誘發(fā)炎癥驅(qū)動(dòng)的上皮癌發(fā)生[37]。

cGAS-STING通路作為疾病防治新靶點(diǎn)

激活cGAS-STING通路分子被認(rèn)為是治療病毒感染疾病和提高抗腫瘤免疫的一種有吸引力的策略。環(huán)二核苷酸作為一種既能激活鼠又能激活人STING蛋白的激活劑，在小鼠B16黑色素瘤、4T1乳腺癌、CT26結(jié)腸癌、胰腺癌、皮膚癌以及B細(xì)胞淋巴瘤等多種類型腫瘤中，表現(xiàn)出明顯的抗腫瘤作用和較好的應(yīng)用前景[38]。但是由于cGAS-STING通路與腫瘤關(guān)系的復(fù)雜性，在上述炎癥驅(qū)動(dòng)的腫瘤中使用STING激動(dòng)劑有可能會(huì)過(guò)度激活 STING信號(hào)通路而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。靶向該通路的免疫治療距離臨床實(shí)踐還需要更深入的研究。

除了激活該通路治療病毒感染疾病與抗腫瘤之外，隨著與cGAS-STING有關(guān)的非感染性炎性疾病進(jìn)入人們的視野，研究者同樣希望出現(xiàn)該通路的分子抑制劑。有研究發(fā)現(xiàn)蘇拉明能夠取代與cGAS 結(jié)合的DNA，阻止cGAS活化[39]?？汞懠菜幬锶缏揉土u氯喹能夠抑制DNA和cGAS之間的結(jié)合，阻礙通路的激活[40]。氨來(lái)占諾阻斷TBK1-IRF3-IFN炎癥信號(hào)通路，減輕慢性炎癥反應(yīng)，增加胰島素敏感性，減少肝臟脂肪變性，改善小鼠急性心肌梗死后心功能[41]，或許將來(lái)成為臨床上治療代謝性疾病及急性心肌梗死的新靶點(diǎn)。

總結(jié)與展望

感知胞質(zhì)DNA的cGAS-STING信號(hào)通路作為先天免疫的重要組成部分，除了在抵抗病原體感染中發(fā)揮重要作用，在多個(gè)系統(tǒng)的多種非感染性炎性疾病中的重要作用逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，提示此通路更廣闊的研究前景，給多種疾病尋求治療靶點(diǎn)提供了可能。但此信號(hào)通路參與的多種生理病理過(guò)程仍有待進(jìn)一步的探究。隨著對(duì)這一通路的持續(xù)探索，未來(lái)可能會(huì)有與人類健康和疾病相關(guān)的新的重大發(fā)現(xiàn)。