cGAS/STING 信號(hào)通路與骨骼肌損傷后炎癥反應(yīng)的研究進(jìn)展

周榮杰 高明 李慧 徐剛

骨骼肌作為人體的動(dòng)力器官，通過(guò)收縮與舒張來(lái)維持機(jī)體的正?；顒?dòng)。對(duì)于從事競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)的專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，為了提高個(gè)人競(jìng)技水平，需要長(zhǎng)期進(jìn)行重復(fù)性、高強(qiáng)度的訓(xùn)練，以維持良好的競(jìng)技狀態(tài)。但長(zhǎng)時(shí)間、大負(fù)荷離心運(yùn)動(dòng)，會(huì)使肌纖維超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起運(yùn)動(dòng)性骨骼肌微損傷（Exercise-induced muscle damage，EIMD），出現(xiàn)不同程度的延遲性肌肉酸痛（Delayed onset muscle soreness，DOMS）[1，2]。臨床主要指征為關(guān)節(jié)活動(dòng)度減小、受限，減震能力減弱，肌肉僵硬，肌力不同程度下降并伴有酸痛感，通常這種表現(xiàn)并不會(huì)發(fā)生在運(yùn)動(dòng)期間或運(yùn)動(dòng)后即刻，而是在運(yùn)動(dòng)后的24h 開(kāi)始逐漸加劇，嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練和比賽。目前研究認(rèn)為不習(xí)慣性運(yùn)動(dòng)或偏心運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肌肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)損傷，可能與蛋白質(zhì)降解、凋亡以及局部炎癥反應(yīng)有關(guān)[3]。其實(shí)運(yùn)動(dòng)損傷所影響的并不只局限于運(yùn)動(dòng)員短期內(nèi)的訓(xùn)練和比賽，長(zhǎng)期反復(fù)的微損傷不斷累積和疊加，還可能會(huì)誘導(dǎo)骨骼肌膠原纖維過(guò)度增生，形成細(xì)小瘢痕組織，引起骨骼肌纖維化[4]。

炎癥反應(yīng)的發(fā)生是極其復(fù)雜的過(guò)程，盡管針對(duì)運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷炎癥反應(yīng)已有較多的研究[5，6]，但對(duì)于其發(fā)生機(jī)制仍缺乏全面清晰的認(rèn)識(shí)。因此深層次探討引起運(yùn)動(dòng)損傷的炎癥反應(yīng)機(jī)制，以期尋找更加有效干預(yù)靶點(diǎn)，已成為目前一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。環(huán)化GMP-AMP 合成酶（Cyclic GMP-AMP synthase，cGAS）能結(jié)合胞質(zhì)中的雙鏈DNA（Double strands DNA，dsDNA），并激活干擾素基因刺激因子（Stimulator of interferon genes，STING），介導(dǎo)Ⅰ型干擾素（Type 1 interferons，IFN-I）和其他炎癥因子的產(chǎn)生，參與諸多疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。STING 是固有免疫系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性接頭蛋白，同時(shí)又具有炎性分子的特征，STING 表達(dá)上調(diào)引起相關(guān)信號(hào)通路的活化，與機(jī)體各種炎性疾病的發(fā)生關(guān)系緊密。現(xiàn)對(duì)cGAS/STING 信號(hào)通路在炎性疾病方面的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，為從cGAS/STING 信號(hào)通路角度揭示運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷炎癥反應(yīng)機(jī)制的研究提供參考。

1 運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷后炎癥反應(yīng)機(jī)制

1.1 骨骼肌損傷的組織形態(tài)學(xué)改變骨骼肌在持續(xù)的運(yùn)動(dòng)牽拉和應(yīng)力作用下，會(huì)出現(xiàn)代償性失調(diào)，引起肌組織出現(xiàn)不同程度的形態(tài)學(xué)改變，這也是目前界定運(yùn)動(dòng)損傷的一種方法。最早見(jiàn)于Smith 等[7]的研究報(bào)道，發(fā)現(xiàn)機(jī)體在大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)DOMS，其酸痛部位肌纖維間可見(jiàn)水腫、巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)、溶酶體活性增強(qiáng)等現(xiàn)象。生理學(xué)家很早就已經(jīng)通過(guò)電鏡直接證實(shí)離心運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致骨骼肌超微結(jié)構(gòu)損傷，包括肌膜、細(xì)胞骨架、Z 線等的改變[8]。之后研究者對(duì)大鼠進(jìn)行一次性長(zhǎng)時(shí)間離心運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)骨骼肌急性損傷后，首先會(huì)在損傷的局部出現(xiàn)肌纖維結(jié)構(gòu)破壞，之后會(huì)出現(xiàn)炎癥細(xì)胞和促炎因子浸潤(rùn)[5]。對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷性大鼠腓腸肌研究發(fā)現(xiàn)，在電鏡下可以清晰地觀察到肌原纖維排列不規(guī)則，肌細(xì)胞腫脹融合，部分肌纖維發(fā)生斷裂，血管擴(kuò)張充血，肌絲排列混雜、卷曲，肌間可見(jiàn)髓鞘樣改變，T 小管輕度腫脹，三聯(lián)管稍微腫脹，細(xì)胞膜局部模糊，并發(fā)現(xiàn)炎性細(xì)胞和促炎因子浸潤(rùn)[9]。線粒體是骨骼肌的供能單位，骨骼肌損傷極易導(dǎo)致線粒體損傷。白勝超等[10]對(duì)骨骼肌線粒體的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)大鼠一次性大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)后，觀察到線粒體出現(xiàn)腫脹，大量聚集，一些線粒體膜結(jié)構(gòu)模糊，出現(xiàn)大量大小不一的線粒體片段。尚畫(huà)雨等[11]研究發(fā)現(xiàn)大鼠進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)后嵴結(jié)構(gòu)不清晰、稀少，部分線粒體基質(zhì)變淺，甚至出現(xiàn)空泡化，還有部分線粒體出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)模糊、不完整甚至消失，伴有大量自噬體形成。

1.2 骨骼肌損傷后炎性因子效應(yīng)臨床上DOMS 的發(fā)生并非在運(yùn)動(dòng)后即刻，而是在運(yùn)動(dòng)后24～48h 逐漸加劇。因此早期研究者認(rèn)為骨骼肌超微結(jié)構(gòu)損傷暫不能認(rèn)為是引發(fā)DOMS 的直接原因，可能是損傷后誘導(dǎo)產(chǎn)生其他物質(zhì)引發(fā)DOMS 的產(chǎn)生。之后大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，證實(shí)在運(yùn)動(dòng)造成的骨骼肌損傷初期，最先做出應(yīng)答的是嗜中性粒細(xì)胞，之后則是巨噬細(xì)胞[12，13]。除大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)外，在血液中也可以檢測(cè)到較多炎性介質(zhì)，如TNF-α、IL-10、IL-6、IL-1β 等[14]。這些促炎因子首先是由炎性細(xì)胞所分泌，另外則認(rèn)為骨骼肌本身也可以分泌致炎因子。劉曉光等[15]在對(duì)小鼠下坡跑后發(fā)現(xiàn)，嗜中性粒細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)后第3 天和第7 天表達(dá)量顯著增加，隨后巨噬細(xì)胞在第7 天浸潤(rùn)增多，TNF-α在下坡跑后第7 天顯著增加；IL-1β、IL-6 在下坡跑后第3 天與第 7 天均顯著增加。而白勝超等[5，6]對(duì)大鼠比目魚(yú)肌TNF-α、IL-6 表達(dá)的研究表明離心運(yùn)動(dòng)開(kāi)始即刻TNF-α、IL-6 表達(dá)就明顯升高，TNF-α 表達(dá)一直持續(xù)48～72h 達(dá)到最高值后逐漸降低；而IL-6 即刻上調(diào)后，一直維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平，持續(xù)到120h 后逐漸下降。

TNF-α、IL-6 和IL-1β 等促炎因子被認(rèn)為是介導(dǎo)骨骼肌損傷早期炎癥反應(yīng)主要的炎性因子。炎性細(xì)胞與促炎因子表達(dá)很大程度上呈正相關(guān)，但時(shí)間軸上存在一些偏差，因此不足以表明所有的促炎因子都是由炎性細(xì)胞直接分泌的。在心力衰竭患者血清IL-1β、IL-6 水平的變化及意義研究中發(fā)現(xiàn)，IL-1β、IL-6 也可以由成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生[16]。早期研究認(rèn)為IL-6 主要來(lái)源于巨噬細(xì)胞，實(shí)際上研究發(fā)現(xiàn)許多細(xì)胞都能表達(dá)IL-6，包括骨骼肌細(xì)胞，安靜情況下骨骼肌中IL-6 表達(dá)量相對(duì)較低，而運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌則成為IL-6 的主要分泌來(lái)源[17]。

2 cGAS/STING 信號(hào)通路

cGAS 屬于核苷酸轉(zhuǎn)移酶家族，人源 cGAS 由522 個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量大小為60kD，是一種位于胞質(zhì)中的DNA 識(shí)別受體，可以檢測(cè)到進(jìn)入胞質(zhì)中的dsDNA。研究發(fā)現(xiàn)cGAS 和dsDNA 的結(jié)合呈長(zhǎng)度依賴(lài)性，與DNA 序列無(wú)關(guān)。細(xì)菌、病毒入侵，線粒體受損或基因組不穩(wěn)定性引起的胞質(zhì)中DNA 聚集都可能導(dǎo)致cGAS 被激活[18]。當(dāng)cGAS受體的結(jié)構(gòu)域檢測(cè)到釋放入胞質(zhì)內(nèi)dsDNA，cGAS就會(huì)立刻發(fā)生活性位構(gòu)象改變，從而催化ATP 和GTP 合成環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷-磷酸腺苷（Cyclic-GMPAMP，cGAMP）。

cGAMP 是一種環(huán)二核苷酸，屬于胞內(nèi)第二信使，它可以激活和結(jié)合細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的STING，導(dǎo)致STING 的CTT-CTD 分離，誘導(dǎo)STING 活化；活化后的STING 從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)高爾基體遷移至核周核內(nèi)體，并最終定位在該處；STING 作為支架蛋白，募集并激活TANK 結(jié)合激酶1（TANK-binding kinase 1，TBK1），并使轉(zhuǎn)錄因子IRF3 磷酸化；隨后IRF3被TBK1 磷酸化激活形成二聚體并易位進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，誘導(dǎo)Ⅰ型干擾素、趨化因子配體以及TNF-α、TNF-β 等炎癥因子的表達(dá)[19～21]。同時(shí)STING 還能將信號(hào)傳給腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白6（TNF receptor associated factor 6，TRAF6），激活經(jīng)典核因子κB（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號(hào)通路，誘導(dǎo)TNF-α、IL-6、IL-1β 等炎癥因子釋放[20，22]。

3 cGAS/STING 信號(hào)通路與運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷的關(guān)系

3.1 運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷后mtDNA 釋放機(jī)制運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷為臨床常見(jiàn)疾病，尤其是在競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)中頻發(fā)。過(guò)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘導(dǎo)的骨骼肌損傷，是造成線粒體結(jié)構(gòu)功能破壞的重要因素之一[23]。研究發(fā)現(xiàn)健康男性在一次性急性大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后，血清游離的線粒體DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）水平顯著升高[24]，這說(shuō)明大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)造成骨骼肌線粒體損傷后，大量mtDNA 會(huì)被釋放出來(lái)。正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，線粒體損傷會(huì)通過(guò)激活自噬的方式來(lái)避免線粒體損傷相關(guān)分子模式（Damage-associated molecular pattern molecules，DAMPs）的啟動(dòng)。但是當(dāng)線粒體自噬被抑制或者受損傷的線粒體在細(xì)胞內(nèi)積聚，從而超過(guò)了自噬清除受損線粒體的能力時(shí)，會(huì)有部分mtDNA 被釋放到胞質(zhì)內(nèi)或細(xì)胞間質(zhì)中[25]。

線粒體參與細(xì)胞的有氧呼吸，是機(jī)體的能量工廠，對(duì)機(jī)體內(nèi)氧的感知、炎癥反應(yīng)、自噬凋亡、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等生命活動(dòng)極為敏感[26]。mtDNA 位于線粒體基質(zhì)中，而線粒體作為擁有內(nèi)、外雙層膜的細(xì)胞器，mtDNA 效應(yīng)發(fā)生必須穿越線粒體內(nèi)、外膜兩層障礙到達(dá)細(xì)胞質(zhì)中[27]。目前研究認(rèn)為mtDNA片段釋放主要有兩種途徑：一是通過(guò)位于線粒體內(nèi)外膜上的線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（Mitochondrial permeability transition pore，mPTP）進(jìn)入胞漿[28]；另一種則依據(jù)氧化應(yīng)激作用于組織的強(qiáng)度，分別通過(guò)線粒體外膜通透化（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）和電壓依賴(lài)性陰離子通道（Voltage-dependent anion channels，VDAC）的低聚，在線粒體外膜上形成大孔，介導(dǎo)mtDNA 片段的釋放[29]。同時(shí)有研究認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間耐力運(yùn)動(dòng)也可以誘導(dǎo)骨骼肌釋放外泌體，當(dāng)外泌體進(jìn)入血液循環(huán)，還能夠?qū)C(jī)體各個(gè)組織器官進(jìn)行調(diào)控。釋放的外泌體中不僅包含mtDNA，還有少部分多肽、miRNA 和 mRNA[30]。

3.2 骨骼肌mtDNA 啟動(dòng)cGAS/STING 信號(hào)通路炎性細(xì)胞因子效應(yīng)mtDNA 作為激活DAMPs 關(guān)鍵分子，可以觸發(fā)無(wú)菌性炎癥，且高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體主要起促炎作用。研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)小鼠離心運(yùn)動(dòng)后，骨骼肌炎性細(xì)胞、炎性因子表達(dá)均明顯增加。另有研究發(fā)現(xiàn)急性長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)或重復(fù)高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)后，即刻檢測(cè)到骨骼肌細(xì)胞mtDNA 降低[31]，說(shuō)明線粒體損傷后部分釋放的mtDNA 可能已經(jīng)被cGAS 受體捕獲而結(jié)合，進(jìn)一步激活下游一系列信號(hào)通路，最終調(diào)節(jié)骨骼肌損傷后TNF-α、IL-6、IL-1β 等促炎因子的表達(dá)。但也有研究認(rèn)為當(dāng)肌細(xì)胞線粒體自噬被激活后，可以通過(guò)cGAS/STING 信號(hào)通路減少局部炎癥反應(yīng)。Tuan 等[32]研究發(fā)現(xiàn)力竭運(yùn)動(dòng)后小鼠心肌線粒體損傷，引發(fā)線粒體自噬清除受損線粒體，減少線粒體 mtDNA 的釋放，進(jìn)而減緩 STING 激活的炎癥信號(hào)和干擾素信號(hào)。另有針對(duì)心肌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，在正常情況下心肌細(xì)胞中氧化損傷的mtDNA 會(huì)被自噬清除，當(dāng)某些有害因素導(dǎo)致自噬被部分抑制時(shí)，心肌細(xì)胞因無(wú)法及時(shí)清除氧化損傷的mtDNA，導(dǎo)致mtDNA 釋放到細(xì)胞質(zhì)中激活cGAS-STING 信號(hào)通路，引起炎癥反應(yīng)的發(fā)生并造成心肺功能的損傷[17]。這也從側(cè)面反映了mtDNA 對(duì)激活cGAS/STING 信號(hào)通路介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)有直接作用，可以將mtDNA 作為靶點(diǎn)，來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體損傷后的炎癥反應(yīng)。因此推測(cè)cGAS/STING 信號(hào)通路很可能也參與了運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷的炎癥反應(yīng)過(guò)程，且骨骼肌mtDNA 是激活cGAS/STING 信號(hào)通路的關(guān)鍵樞紐?？赡苁怯捎诟邚?qiáng)度的運(yùn)動(dòng)應(yīng)激，線粒體在機(jī)械應(yīng)力或代謝壓力等因素的作用下?lián)p傷，進(jìn)而導(dǎo)致部分mtDNA 被釋放到胞質(zhì)或細(xì)胞外間質(zhì)，從而激活cGAS/STING 信號(hào)通路，介導(dǎo)骨骼肌損傷后部分炎性介質(zhì)的釋放。

3.3 骨骼肌mtDNA 激活cGAS/STING 信號(hào)通路機(jī)制胞質(zhì)內(nèi)的cGAS 受體對(duì)dsDNA 識(shí)別不具有特異性，無(wú)論是病毒、細(xì)菌、腫瘤細(xì)胞等外源性DNA，還是機(jī)體細(xì)胞死亡、線粒體損傷等內(nèi)源性DNA，任何被釋放到胞質(zhì)的dsDNA 都有可能被cGAS 受體識(shí)別，從而激活cGAS/STING 通路。研究表明mtDNA 的甲基化修飾程度普遍低于細(xì)胞核DNA，與細(xì)菌DNA 的CpG 同源[33]，因此更容易成為異源性DNA 來(lái)激活機(jī)體的免疫反應(yīng)。與dsNDA 激活cGAS/STING 通路過(guò)程一樣：當(dāng)運(yùn)動(dòng)應(yīng)激造成骨骼肌線粒體損傷時(shí)，通過(guò)各種途徑釋放mtDNA 進(jìn)入胞漿或細(xì)胞間質(zhì)，后被胞質(zhì)內(nèi)cGAS 受體識(shí)別；然后cGAS 催化 ATP 和GTP 合成cGAMP；cGAMP 進(jìn)而結(jié)合并激活接頭蛋白 STING；活化后的STING 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體之間轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)招募TBK1，促使 IRF3 磷酸化；磷酸化的IRF3 隨后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)誘導(dǎo)IFN-Ⅰ的表達(dá)。同時(shí)STING 還可以通過(guò)激活I(lǐng)KKβ激酶并使IκB 發(fā)生磷酸化而被泛素-蛋白酶體降解。最終進(jìn)入細(xì)胞核的IRF3 與NF-κB 等轉(zhuǎn)錄因子相互作用以誘導(dǎo)IFN-Ⅰ以及促炎性細(xì)胞因子如TNF-α、IL-6 和IL-1β 的表達(dá)[34]。

4 總結(jié)與展望

急性運(yùn)動(dòng)后，局部肌纖維破壞，線粒體開(kāi)始變大、腫脹，出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)不清晰等超微結(jié)構(gòu)損傷，炎性細(xì)胞和促炎因子浸潤(rùn)。由于炎癥反應(yīng)期較長(zhǎng)，在組織修復(fù)過(guò)程中易誘導(dǎo)肌纖維過(guò)度增生，形成修復(fù)性瘢痕，降低肌肉收縮性，增加運(yùn)動(dòng)后再損機(jī)率[35]。雖然損傷早期的炎癥反應(yīng)在肌肉組織修復(fù)、重塑過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，但這在骨骼肌受到嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)更具有意義，而因急性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致EIMD 時(shí)，持續(xù)性的、過(guò)度的炎癥反應(yīng)弊大于利。

cGAS/STING 信號(hào)通路最初因其能介導(dǎo)Ⅰ型干擾素參與固有免疫應(yīng)答而被發(fā)現(xiàn)，隨著近年來(lái)研究不斷深入和拓展，發(fā)現(xiàn)cGAS/STING 信號(hào)通路參與了越來(lái)越多疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，尤其在一些炎性疾病中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在此類(lèi)疾病中，mtDNA 為激活cGAS/STING 信號(hào)通路的關(guān)鍵靶點(diǎn)[36]。

綜上所述，cGAS/STING 信號(hào)通路很可能也參與了運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷后炎癥反應(yīng)過(guò)程。但目前對(duì)cGAS/STING 通路在這一領(lǐng)域中的作用及機(jī)制研究仍相對(duì)偏少，尤其是針對(duì)DOMS 調(diào)控研究。探索骨骼肌mtDNA 激活cGAS/STING 通路從而介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷炎癥反應(yīng)發(fā)生的具體分子生物學(xué)機(jī)制，將為豐富和完善運(yùn)動(dòng)性骨骼肌損傷生理、病理機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，為臨床干預(yù)處理DOMS 及可能因損傷累積導(dǎo)致的慢性疼痛提供新的治療靶點(diǎn)。