cGAS-STING信號(hào)通路在自身免疫性疾病中的作用

鄧珊珊，章越凡（上海大學(xué)醫(yī)學(xué)院，上海 200444）

自身免疫性疾病（autoimmune disease，AID）是一類由于機(jī)體自身免疫耐受被打破導(dǎo)致機(jī)體針對(duì)自身抗原發(fā)生免疫反應(yīng)，造成組織器官損傷或功能障礙的疾病，通常表現(xiàn)為自身反應(yīng)性T 細(xì)胞、B 細(xì)胞過(guò)度活化、自身抗體大量產(chǎn)生等癥狀[1]。常見(jiàn)的AID 有系統(tǒng)性紅斑狼瘡（systemic lupus erythematosus，SLE）、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）、銀屑病（psoriasis）等。Ⅰ型干擾素（typeⅠinterferons，IFN-Ⅰ）和自身核酸都被認(rèn)為是AID 發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)因素[2]。由環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷-磷酸腺苷酸（cyclic GMP-AMP，cGAMP）合成酶（cyclic GMP-AMP synthase，cGAS）介導(dǎo)的cGAS-STING 信號(hào)通路是一類典型的天然免疫通路，能夠識(shí)別機(jī)體自身DNA，并誘導(dǎo)IFN-Ⅰ的產(chǎn)生[3]。因此cGAS-STING 信號(hào)通路在AID 中的作用引起了人們極大的興趣。

目前，臨床上對(duì)于AID 的治療方法還較為局限，主要集中于病理組織損傷治療及免疫系統(tǒng)抑制療法。這類治療手段雖然能起到一定的治療作用，但長(zhǎng)期來(lái)看對(duì)患者的不良影響更大。近年來(lái)隨著免疫療法的興起，有研究人員也開(kāi)始嘗試對(duì)AID 不同免疫信號(hào)通路涉及的作用靶點(diǎn)有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)治療藥物。鑒于cGAS-STING 信號(hào)通路與AID 之間的緊密聯(lián)系，靶向調(diào)節(jié)cGAS-STING 信號(hào)通路的抑制劑有望成為治療AID 的候選藥物。現(xiàn)對(duì)cGAS-STING 信號(hào)通路及其在AID 中的功能和應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在為AID 的研究和治療提供思路。

1 cGAS-STING 信號(hào)通路

cGAS-STING 信號(hào)通路的信號(hào)傳遞過(guò)程可簡(jiǎn)要分為3 個(gè)階段：雙鏈DNA（double-stranded DNA，dsDNA）的感知、胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫應(yīng)答激活（見(jiàn)圖1）。

圖1 cGAS-STING 信號(hào)通路Fig 1 cGAS-STING signaling pathway

1.1 dsDNA 的感知階段

dsDNA 的感知階段主要由細(xì)胞DNA 傳感器cGAS 參與完成。目前除cGAS 外，尚未有研究表明已報(bào)道的DNA 受體是否為不依賴DNA 序列的通用型受體[4]，而cGAS 作為一種廣譜胞質(zhì)DNA 識(shí)別受體可借助一種不依賴于DNA 序列的方式識(shí)別并結(jié)合dsDNA，催化ATP 和GTP 生成2’3’-cGAMP[5]。值得注意的是，這一階段只有當(dāng)較長(zhǎng)片段的dsDNA 引發(fā)的信號(hào)超過(guò)一定的信號(hào)閾值時(shí)，cGAS 信號(hào)才能啟動(dòng)[6]。即在cGAS有限或dsDNA 片段序列較短的情況下，cGAS 難以被激活，這種激活方式為細(xì)胞提供了一種重要的潛在保護(hù)機(jī)制。

1.2 胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)階段

cGAMP 可作為第二信使結(jié)合并激活定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的干擾素基因刺激因子（stimulator of interferon gene，STING），導(dǎo)致STING 構(gòu)象發(fā)生變化[7]。有研究發(fā)現(xiàn)STING 可直接結(jié)合dsDNA，也可被其上游含有兩個(gè)3’-5’磷酸二酯鍵的原核CDNs（cyclic dinucleotides，CDNs）及2’3’-cGAMP 誘導(dǎo)活化[8]。cGAMP 與STING 的結(jié)合促進(jìn)了STING向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)，在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，活化的STING可招募TANK 結(jié)合激酶1 （TANK-binding kinase 1，TBK1）形成 STING-TBK1 復(fù)合物，隨后催化干擾素調(diào)節(jié)因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）磷酸化和二聚化，且TBK1 也能在一定程度上催化核因子NF-κB 的轉(zhuǎn)位[7，9]；活化的STING 亦可直接激活下游IκB 激酶（inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK），導(dǎo)致NF-κB 被釋放[9]。

1.3 免疫應(yīng)答激活階段

IRF3、NF-κB 被激活后進(jìn)入細(xì)胞核，從而誘導(dǎo)IFN-Ⅰ、干擾素刺激基因（interferon-stimulated gene，ISG）以及其他幾種炎癥介質(zhì)、促凋亡基因和趨化因子的基因表達(dá)[9]。完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的STING 隨后發(fā)生磷酸化、泛素化等修飾，活性受到抑制，防止天然免疫反應(yīng)的過(guò)度激活[10]。

2 cGAS-STING 信號(hào)通路與AID

一方面，原本位于細(xì)胞核或者線粒體的自體DNA 泄漏到胞質(zhì)或是自身DNA 清除機(jī)制存在缺陷，都有可能導(dǎo)致cGAS-STING 信號(hào)通路異常激活從而觸發(fā)AID。正常情況下，細(xì)胞內(nèi)存在的胞質(zhì)外切酶 （cytoplasmic exonuclease enzymes，DNase）可以清除胞質(zhì)內(nèi)冗余的DNA，從而將胞質(zhì)內(nèi)的DNA 水平維持在cGAS 的激活閾值之下，避免自身免疫反應(yīng)的發(fā)生[11]。當(dāng)DNase 存在缺陷時(shí)，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)積累的異常DNA 不能被及時(shí)清除，胞質(zhì)內(nèi)DNA 水平達(dá)到激活閾值，導(dǎo)致cGASSTING 信號(hào)通路過(guò)度激活，機(jī)體自身免疫平衡被打破，IFN-Ⅰ持續(xù)產(chǎn)生，進(jìn)而誘發(fā)慢性炎癥和AID 的發(fā)生[12]。另一方面，一些與STING 激活直接相關(guān)的基因（如TMEM173基因）發(fā)生突變也有可能導(dǎo)致cGAS-STING 信號(hào)通路激活異常，從而導(dǎo)致AID 的發(fā)生[13]。

2.1 cGAS-STING 信號(hào)通路與SLE

SLE 是一種常見(jiàn)的累及多臟器的AID，通常表現(xiàn)為IFN-Ⅰ水平增加和凋亡細(xì)胞清除缺陷。SLE 的免疫異常幾乎覆蓋整個(gè)免疫系統(tǒng)，被認(rèn)為是AID 的原型，但SLE 的確切病因目前還尚不明確?，F(xiàn)有研究表明，SLE 與核酸酶活力存在缺陷相關(guān)[14-15]。DNaseⅡ－/－鼠由于體內(nèi)過(guò)量積累IFN-Ⅰ，導(dǎo)致其在胚胎期死亡[16]，而DNaseⅡ和STING雙缺失的小鼠卻可以存活，且未產(chǎn)生狼瘡的現(xiàn)象[17]。上述研究結(jié)果提示DNase缺失導(dǎo)致的狼瘡是依賴于STING 信號(hào)通路的。

cGAS-STING 信號(hào)通路參與SLE 的發(fā)生發(fā)展。前期的臨床調(diào)查顯示，SLE 患者血清中的dsDNA 水平明顯高于健康對(duì)照組[18]，部分SLE患者血清中cGAMP 水平、cGAS 及免疫刺激因子的濃度都有所升高[19]，表明cGAS 可能參與了識(shí)別結(jié)合SLE 患者體內(nèi)自身dsDNA 產(chǎn)生cGAMP從而誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)的過(guò)程。但Kato 等[18]后續(xù)開(kāi)展的研究顯示，SLE 患者血清中并不存在STING激動(dòng)劑2’3’-cGAMP，且dsDNA 儲(chǔ)存在凋亡衍生膜泡（apoptosis-derived membrane vesicle，AdMV）中，該膜泡結(jié)構(gòu)能有效防止胞外核酸酶的降解并持續(xù)激活cGAS-STING 信號(hào)通路，促進(jìn)IFN 和白細(xì)胞介素6（IL-6）等炎性因子的釋放。以上結(jié)果提示，dsDNA 激活STING 通路并不一定只是通過(guò)cGAS 介導(dǎo)，不排除有dsDNA 直接激活STING 的可能性，且cGAS-STING 信號(hào)通路的持續(xù)激活很可能與細(xì)胞凋亡有關(guān)。另有研究顯示，鈣相關(guān)信號(hào)蛋白也參與了調(diào)控SLE 患者體內(nèi)STING 通路，從而調(diào)節(jié)其免疫應(yīng)答水平[20]。但關(guān)于cGAS-STING 信號(hào)在SLE 中發(fā)揮的作用還存在爭(zhēng)議。在一項(xiàng)降植烷（pristane，TMPD）誘導(dǎo)的SLE 小鼠模型實(shí)驗(yàn)中，cGAS 和STING 缺陷非但不能使小鼠免于患病，反而還導(dǎo)致小鼠自身抗體產(chǎn)生增加以及蛋白尿水平的升高[21]?？傮w而言，SLE 潛在的病理機(jī)制存在相當(dāng)大的異質(zhì)性，cGAS-STING 信號(hào)通路在SLE 發(fā)病不同階段中的作用是不一樣的，在很大程度上取決于正在研究的SLE 動(dòng)物模型種類及疾病發(fā)展的階段。

2.2 cGAS-STING 信號(hào)通路與STING 相關(guān)嬰兒期起病的血管病

STING 相關(guān)嬰兒期起病的血管?。⊿TINGassociated vasculopathy with onset in infancy，SAVI）是由于與STING 激活相關(guān)的基因發(fā)生突變而表現(xiàn)出由IFN-Ⅰ信號(hào)增強(qiáng)引起的慢性炎癥和血管病變[22]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于SAVI 病例的報(bào)道基本都與STING 編碼基因（TMEM173基因）變異有關(guān)，臨床表現(xiàn)以新生兒期炎癥性肺部疾病、皮膚血管病變、活動(dòng)耐力下降等為主[23-24]。相關(guān)的SAVI 小鼠模型研究也顯示，cGAS-STING 信號(hào)通路的過(guò)度激活會(huì)導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)與SAVI 患者癥狀相似的無(wú)菌性炎癥、免疫系統(tǒng)功能紊亂和重癥肺炎[25]。STING編碼基因的突變導(dǎo)致STING 過(guò)度激活，誘導(dǎo)大量IFN-Ⅰ產(chǎn)生，IFN-Ⅰ與干擾素受體結(jié)合后，經(jīng)過(guò)Janus 激酶（janus kinase，JAK）-信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子（signal transducer and activator of tran ions，STAT）（JAK-STAT）信號(hào)通路進(jìn)一步級(jí)聯(lián)活化，產(chǎn)生炎癥風(fēng)暴，從而對(duì)STING 高表達(dá)的組織造成嚴(yán)重持久的損傷[22，26]。有研究報(bào)道采用JAK 抑制劑可有效抑制患者體內(nèi)STAT 二聚體活化以控制cGAMP 誘導(dǎo)的STING 轉(zhuǎn)錄，并在一定程度上抑制炎癥[27]，提示JAK 抑制劑有望成為cGAS-STING信號(hào)通路過(guò)度激活的治療藥物，但JAK 抑制劑的安全性和有效性仍需要大量的臨床試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 cGAS-STING 信號(hào)通路與RA

RA 是以破壞性與對(duì)稱性關(guān)節(jié)病變、關(guān)節(jié)滑膜炎為特征的慢性自身免疫性疾病[28]。有研究指出，RA 患者成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞中胞質(zhì) dsDNA 表達(dá)增加，且dsDNA 和cGAS 的表達(dá)與類風(fēng)濕滑膜炎的嚴(yán)重程度相關(guān)，RA 患者細(xì)胞的cGAS或STING被敲除后細(xì)胞因子表達(dá)減少[29]，這表明cGAS-STING 信號(hào)通路介導(dǎo)了RA 的炎癥反應(yīng)。在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，cGAS 可通過(guò)激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinase，ERK）信號(hào)通路，促進(jìn)RA 成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞的炎癥反應(yīng)[30]。盡管AKT 信號(hào)通路的激活有可能會(huì)抑制STING 通路下游的激活[31]，但目前關(guān)于RA 中cGAS 激活A(yù)KT 和ERK 信號(hào)通路是否與cGASSTING 信號(hào)通路激活調(diào)控有關(guān)尚未得到驗(yàn)證。綜上，cGAS-STING 信號(hào)通路與RA 的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。

2.4 cGAS-STING 信號(hào)通路與銀屑病

銀屑病是一種慢性炎癥性皮膚病，通常伴隨著包括RA、自身免疫性甲狀腺炎等多種AID在內(nèi)的并發(fā)癥，與先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)有關(guān)[32]。有研究發(fā)現(xiàn)，在銀屑病患者皮膚中DNA氧化損傷情況加重，銀屑病樣小鼠血漿中cfDNA（circulating free DNA，cfDNA）水平有所增加，且銀屑病患者皮膚中存在STING 及其相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)的現(xiàn)象[33-35]。初步機(jī)制研究表明，在銀屑病患者皮膚的巨噬細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞中，STING 作為自身DNA 傳感器誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，介導(dǎo)免疫細(xì)胞釋放TNF-α或H2O2，產(chǎn)生的TNF-α、H2O2可促進(jìn)DNA 釋放到角質(zhì)形成細(xì)胞胞質(zhì)中，同時(shí)抑制dsDNA 誘導(dǎo)產(chǎn)生的STING 蛋白降解[34]。在一項(xiàng)STING 拮抗劑 H-151 的體內(nèi)外抗銀屑病作用研究中發(fā)現(xiàn)，局部給予H-151 能減輕咪喹莫特誘導(dǎo)的銀屑病皮膚損傷，并減輕炎癥的發(fā)生，其作用機(jī)制為通過(guò)抑制角質(zhì)形成細(xì)胞和免疫細(xì)胞中的STING/NF-κB 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制皮膚的炎癥，減輕銀屑病的癥狀[35]。

2.5 cGAS-STING 信號(hào)通路與其他AID

有研究顯示，Aicardi-Goutières 綜合征（Aicardi-Goutières syndrome，AGS）的病理機(jī)制與cGAS-STING 信號(hào)通路密切相關(guān)[12]。AGS 是由于某些核酸酶基因突變?nèi)笔?，?dǎo)致核酸酶活性降低或喪失，核酸在胞漿內(nèi)大量堆積，STINGTBK1-IRF3/NF-κB 等信號(hào)通路過(guò)度活化，最終導(dǎo)致IFN-Ⅰ水平顯著升高[11]?，F(xiàn)已確認(rèn)血管和肺綜合征（vascular and pulmonary syndrome，VAPS）患者與STING外顯子突變有關(guān)[9]，原發(fā)性膽汁性肝病也與cGAS-STING 信號(hào)通路激活有關(guān)[36]。

3 cGAS-STING 信號(hào)通路抑制劑在AID 中的研究

自2013年首次發(fā)現(xiàn)cGAS 是胞質(zhì)識(shí)別DNA受體以來(lái)[37]，后續(xù)相繼發(fā)現(xiàn)了眾多小分子化合物對(duì)因cGAS-STING 信號(hào)通路異常引發(fā)的AID 有療效。Hansen 等[38]報(bào)道了STING 抑制劑硝基脂肪酸能抑制SAVI 患者成纖維細(xì)胞中IFN-Ⅰ的產(chǎn)生。有研究報(bào)道STING 抑制劑SN-011 已被證實(shí)可以抑制SAVI 疾病相關(guān)的STING 突變體激活活性，并且可調(diào)節(jié)TREX－/－小鼠免疫紊亂，提高小鼠存活率[39]。在HSV-1 感染的TREX－/－小鼠中，小分子環(huán)肽Astin C 可特異性抑制cGAS-STING信號(hào)通路及胞質(zhì)DNA 所誘發(fā)的炎癥反應(yīng)，顯著降低小鼠自身免疫炎癥反應(yīng)[40]。Haag 等[41]報(bào)道了三種靶向STING 蛋白的高效特異性小分子抑制劑C-176、C-178 和H-151，這些小分子可與人和小鼠細(xì)胞STING 蛋白中的Cys91 發(fā)生共價(jià)結(jié)合，阻斷STING 活化所誘導(dǎo)的棕櫚?；?，阻礙STING 多聚體復(fù)合物形成，抑制下游免疫應(yīng)答激活，減弱小鼠自身炎癥疾病的病理特征。該類化合物活性強(qiáng)且分子量低，藥理實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能夠有效阻斷機(jī)體天然免疫反應(yīng)的信號(hào)通路，是靶向cGAS-STING 信號(hào)通路治療AID 極具潛力的候選藥物。An 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在AGS 小鼠模型中，作為抑制cGAS 與DNA 相互作用的化合物X6 療效優(yōu)于羥氯喹，可顯著降低小鼠脾臟細(xì)胞ISGs的表達(dá)，同時(shí)X6 在降低SLE 患者外周血單個(gè)核細(xì)胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMCs）ISGs表達(dá)方面也明顯優(yōu)于羥氯喹。該結(jié)果表明，X6 通過(guò)抑制cGAS-STING 信號(hào)通路激活治療AGS 和SLE 具有明顯優(yōu)勢(shì)。近期有研究發(fā)現(xiàn)，周期蛋白依賴性激酶抑制劑帕博西尼可直接靶向STING Y167，通過(guò)阻斷STING 二聚化抑制其激活，后續(xù)研究結(jié)果表明帕博西尼對(duì)葡聚糖誘導(dǎo)的腸炎或TREX－/－小鼠的自身炎癥性疾病具有保護(hù)作用[43]。

4 展望

綜上所述，cGAS-STING 信號(hào)通路作為DNA傳感器通路為AID 啟動(dòng)和發(fā)病的關(guān)鍵途徑，因此針對(duì)cGAS-STING 信號(hào)通路開(kāi)發(fā)調(diào)控該信號(hào)通路治療AID 的藥物顯得尤為重要。就理論而言，與現(xiàn)有阻斷IFN-Ⅰ下游信號(hào)通路（如JAK 抑制劑）的治療藥物相比，cGAS 及STING 抑制劑可能更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渌R(shí)別細(xì)胞質(zhì)內(nèi)核苷酸的信號(hào)通路相對(duì)完整。但值得注意的是，cGAS-STING信號(hào)通路作為機(jī)體天然免疫系統(tǒng)的重要防御機(jī)制，除了參與常見(jiàn)AID 的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，它還在因cGAS-STING 信號(hào)通路異常激活誘發(fā)的非酒精性脂肪性肝炎、慢性阻塞性肺疾病、腦缺血和帕金森病等疾病進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用，且在抗病毒、抗感染、抗腫瘤等方面也有廣泛的作用，因此在使用阻斷cGAS-STING 信號(hào)通路的免疫抑制藥物時(shí)有可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)并發(fā)癥惡化，機(jī)體免疫功能失調(diào)，增加病原微生物感染風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期使用甚至有可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)病率提高。近些年對(duì)cGAS-STING 信號(hào)通路在AID 中的作用機(jī)制研究較為深入，但由于AID 發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟町愋缘炔豢杀苊獾囊蛩?，目前在該方向的藥物臨床轉(zhuǎn)化效率還有待提升。因此，闡明cGAS-STING 信號(hào)通路在不同類型的AID 中發(fā)揮的不同作用機(jī)制非常必要，有助于我們進(jìn)一步了解AID 的發(fā)生機(jī)制，為AID 的預(yù)防和治療尋找更多潛在的方法。