cGAS/STING 信號通路與骨骼肌損傷后炎癥反應的研究進展

周榮杰 高明 李慧 徐剛

骨骼肌作為人體的動力器官，通過收縮與舒張來維持機體的正常活動。對于從事競技體育運動的專業運動員來說，為了提高個人競技水平，需要長期進行重復性、高強度的訓練，以維持良好的競技狀態。但長時間、大負荷離心運動，會使肌纖維超微結構發生改變，引起運動性骨骼肌微損傷（Exercise-induced muscle damage，EIMD），出現不同程度的延遲性肌肉酸痛（Delayed onset muscle soreness，DOMS）[1，2]。臨床主要指征為關節活動度減小、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，通常這種表現并不會發生在運動期間或運動后即刻，而是在運動后的24h 開始逐漸加劇，嚴重影響運動員日常訓練和比賽。目前研究認為不習慣性運動或偏心運動導致肌肉細胞的超微結構損傷，可能與蛋白質降解、凋亡以及局部炎癥反應有關[3]。其實運動損傷所影響的并不只局限于運動員短期內的訓練和比賽，長期反復的微損傷不斷累積和疊加，還可能會誘導骨骼肌膠原纖維過度增生，形成細小瘢痕組織，引起骨骼肌纖維化[4]。

炎癥反應的發生是極其復雜的過程，盡管針對運動性骨骼肌損傷炎癥反應已有較多的研究[5，6]，但對于其發生機制仍缺乏全面清晰的認識。因此深層次探討引起運動損傷的炎癥反應機制，以期尋找更加有效干預靶點，已成為目前一個新的研究熱點。環化GMP-AMP 合成酶（Cyclic GMP-AMP synthase，cGAS）能結合胞質中的雙鏈DNA（Double strands DNA，dsDNA），并激活干擾素基因刺激因子（Stimulator of interferon genes，STING），介導Ⅰ型干擾素（Type 1 interferons，IFN-I）和其他炎癥因子的產生，參與諸多疾病的發生、發展過程。STING 是固有免疫系統的一個關鍵性接頭蛋白，同時又具有炎性分子的特征，STING 表達上調引起相關信號通路的活化，與機體各種炎性疾病的發生關系緊密。現對cGAS/STING 信號通路在炎性疾病方面的研究進展進行總結，為從cGAS/STING 信號通路角度揭示運動性骨骼肌損傷炎癥反應機制的研究提供參考。

1 運動性骨骼肌損傷后炎癥反應機制

1.1 骨骼肌損傷的組織形態學改變骨骼肌在持續的運動牽拉和應力作用下，會出現代償性失調，引起肌組織出現不同程度的形態學改變，這也是目前界定運動損傷的一種方法。最早見于Smith 等[7]的研究報道，發現機體在大負荷運動后會出現DOMS，其酸痛部位肌纖維間可見水腫、巨噬細胞浸潤、溶酶體活性增強等現象。生理學家很早就已經通過電鏡直接證實離心運動會導致骨骼肌超微結構損傷，包括肌膜、細胞骨架、Z 線等的改變[8]。之后研究者對大鼠進行一次性長時間離心運動，發現骨骼肌急性損傷后，首先會在損傷的局部出現肌纖維結構破壞，之后會出現炎癥細胞和促炎因子浸潤[5]。對運動損傷性大鼠腓腸肌研究發現，在電鏡下可以清晰地觀察到肌原纖維排列不規則，肌細胞腫脹融合，部分肌纖維發生斷裂，血管擴張充血，肌絲排列混雜、卷曲，肌間可見髓鞘樣改變，T 小管輕度腫脹，三聯管稍微腫脹，細胞膜局部模糊，并發現炎性細胞和促炎因子浸潤[9]。線粒體是骨骼肌的供能單位，骨骼肌損傷極易導致線粒體損傷。白勝超等[10]對骨骼肌線粒體的研究發現，對大鼠一次性大負荷運動后，觀察到線粒體出現腫脹，大量聚集，一些線粒體膜結構模糊，出現大量大小不一的線粒體片段。尚畫雨等[11]研究發現大鼠進行離心運動后嵴結構不清晰、稀少，部分線粒體基質變淺，甚至出現空泡化，還有部分線粒體出現膜結構模糊、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臨床上DOMS 的發生并非在運動后即刻，而是在運動后24～48h 逐漸加劇。因此早期研究者認為骨骼肌超微結構損傷暫不能認為是引發DOMS 的直接原因，可能是損傷后誘導產生其他物質引發DOMS 的產生。之后大量學者對此進行研究，證實在運動造成的骨骼肌損傷初期，最先做出應答的是嗜中性粒細胞，之后則是巨噬細胞[12，13]。除大量炎性細胞浸潤外，在血液中也可以檢測到較多炎性介質，如TNF-α、IL-10、IL-6、IL-1β 等[14]。這些促炎因子首先是由炎性細胞所分泌，另外則認為骨骼肌本身也可以分泌致炎因子。劉曉光等[15]在對小鼠下坡跑后發現，嗜中性粒細胞在運動后第3 天和第7 天表達量顯著增加，隨后巨噬細胞在第7 天浸潤增多，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]對大鼠比目魚肌TNF-α、IL-6 表達的研究表明離心運動開始即刻TNF-α、IL-6 表達就明顯升高，TNF-α 表達一直持續48～72h 達到最高值后逐漸降低；而IL-6 即刻上調后，一直維持在一個相對較高的水平，持續到120h 后逐漸下降。

TNF-α、IL-6 和IL-1β 等促炎因子被認為是介導骨骼肌損傷早期炎癥反應主要的炎性因子。炎性細胞與促炎因子表達很大程度上呈正相關，但時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現，IL-1β、IL-6 也可以由成纖維細胞和內皮細胞產生[16]。早期研究認為IL-6 主要來源于巨噬細胞，實際上研究發現許多細胞都能表達IL-6，包括骨骼肌細胞，安靜情況下骨骼肌中IL-6 表達量相對較低，而運動時骨骼肌則成為IL-6 的主要分泌來源[17]。

2 cGAS/STING 信號通路

cGAS 屬于核苷酸轉移酶家族，人源 cGAS 由522 個氨基酸組成，相對分子質量大小為60kD，是一種位于胞質中的DNA 識別受體，可以檢測到進入胞質中的dsDNA。研究發現cGAS 和dsDNA 的結合呈長度依賴性，與DNA 序列無關。細菌、病毒入侵，線粒體受損或基因組不穩定性引起的胞質中DNA 聚集都可能導致cGAS 被激活[18]。當cGAS受體的結構域檢測到釋放入胞質內dsDNA，cGAS就會立刻發生活性位構象改變，從而催化ATP 和GTP 合成環磷酸鳥苷-磷酸腺苷（Cyclic-GMPAMP，cGAMP）。

cGAMP 是一種環二核苷酸，屬于胞內第二信使，它可以激活和結合細胞內質網膜上的STING，導致STING 的CTT-CTD 分離，誘導STING 活化；活化后的STING 從內質網經高爾基體遷移至核周核內體，并最終定位在該處；STING 作為支架蛋白，募集并激活TANK 結合激酶1（TANK-binding kinase 1，TBK1），并使轉錄因子IRF3 磷酸化；隨后IRF3被TBK1 磷酸化激活形成二聚體并易位進入細胞核內，誘導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[19～21]。同時STING 還能將信號傳給腫瘤壞死因子受體相關蛋白6（TNF receptor associated factor 6，TRAF6），激活經典核因子κB（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號通路，誘導TNF-α、IL-6、IL-1β 等炎癥因子釋放[20，22]。

3 cGAS/STING 信號通路與運動性骨骼肌損傷的關系

3.1 運動性骨骼肌損傷后mtDNA 釋放機制運動性骨骼肌損傷為臨床常見疾病，尤其是在競技體育運動中頻發。過度運動訓練誘導的骨骼肌損傷，是造成線粒體結構功能破壞的重要因素之一[23]。研究發現健康男性在一次性急性大強度運動后，血清游離的線粒體DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）水平顯著升高[24]，這說明大強度運動造成骨骼肌線粒體損傷后，大量mtDNA 會被釋放出來。正常運動狀態下，線粒體損傷會通過激活自噬的方式來避免線粒體損傷相關分子模式（Damage-associated molecular pattern molecules，DAMPs）的啟動。但是當線粒體自噬被抑制或者受損傷的線粒體在細胞內積聚，從而超過了自噬清除受損線粒體的能力時，會有部分mtDNA 被釋放到胞質內或細胞間質中[25]。

線粒體參與細胞的有氧呼吸，是機體的能量工廠，對機體內氧的感知、炎癥反應、自噬凋亡、信號轉導等生命活動極為敏感[26]。mtDNA 位于線粒體基質中，而線粒體作為擁有內、外雙層膜的細胞器，mtDNA 效應發生必須穿越線粒體內、外膜兩層障礙到達細胞質中[27]。目前研究認為mtDNA片段釋放主要有兩種途徑：一是通過位于線粒體內外膜上的線粒體膜通透性轉換孔（Mitochondrial permeability transition pore，mPTP）進入胞漿[28]；另一種則依據氧化應激作用于組織的強度，分別通過線粒體外膜通透化（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）和電壓依賴性陰離子通道（Voltage-dependent anion channels，VDAC）的低聚，在線粒體外膜上形成大孔，介導mtDNA 片段的釋放[29]。同時有研究認為長時間耐力運動也可以誘導骨骼肌釋放外泌體，當外泌體進入血液循環，還能夠對機體各個組織器官進行調控。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cGAS/STING 信號通路炎性細胞因子效應mtDNA 作為激活DAMPs 關鍵分子，可以觸發無菌性炎癥，且高強度運動對機體主要起促炎作用。研究發現在對小鼠離心運動后，骨骼肌炎性細胞、炎性因子表達均明顯增加。另有研究發現急性長時間運動或重復高強度間歇運動后，即刻檢測到骨骼肌細胞mtDNA 降低[31]，說明線粒體損傷后部分釋放的mtDNA 可能已經被cGAS 受體捕獲而結合，進一步激活下游一系列信號通路，最終調節骨骼肌損傷后TNF-α、IL-6、IL-1β 等促炎因子的表達。但也有研究認為當肌細胞線粒體自噬被激活后，可以通過cGAS/STING 信號通路減少局部炎癥反應。Tuan 等[32]研究發現力竭運動后小鼠心肌線粒體損傷，引發線粒體自噬清除受損線粒體，減少線粒體 mtDNA 的釋放，進而減緩 STING 激活的炎癥信號和干擾素信號。另有針對心肌細胞的研究發現，在正常情況下心肌細胞中氧化損傷的mtDNA 會被自噬清除，當某些有害因素導致自噬被部分抑制時，心肌細胞因無法及時清除氧化損傷的mtDNA，導致mtDNA 釋放到細胞質中激活cGAS-STING 信號通路，引起炎癥反應的發生并造成心肺功能的損傷[17]。這也從側面反映了mtDNA 對激活cGAS/STING 信號通路介導的炎癥反應有直接作用，可以將mtDNA 作為靶點，來調節機體損傷后的炎癥反應。因此推測cGAS/STING 信號通路很可能也參與了運動性骨骼肌損傷的炎癥反應過程，且骨骼肌mtDNA 是激活cGAS/STING 信號通路的關鍵樞紐。可能是由于高強度的運動應激，線粒體在機械應力或代謝壓力等因素的作用下損傷，進而導致部分mtDNA 被釋放到胞質或細胞外間質，從而激活cGAS/STING 信號通路，介導骨骼肌損傷后部分炎性介質的釋放。

3.3 骨骼肌mtDNA 激活cGAS/STING 信號通路機制胞質內的cGAS 受體對dsDNA 識別不具有特異性，無論是病毒、細菌、腫瘤細胞等外源性DNA，還是機體細胞死亡、線粒體損傷等內源性DNA，任何被釋放到胞質的dsDNA 都有可能被cGAS 受體識別，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胞核DNA，與細菌DNA 的CpG 同源[33]，因此更容易成為異源性DNA 來激活機體的免疫反應。與dsNDA 激活cGAS/STING 通路過程一樣：當運動應激造成骨骼肌線粒體損傷時，通過各種途徑釋放mtDNA 進入胞漿或細胞間質，后被胞質內cGAS 受體識別；然后cGAS 催化 ATP 和GTP 合成cGAMP；cGAMP 進而結合并激活接頭蛋白 STING；活化后的STING 在內質網和高爾基體之間轉運，同時招募TBK1，促使 IRF3 磷酸化；磷酸化的IRF3 隨后轉移到細胞核內誘導IFN-Ⅰ的表達。同時STING 還可以通過激活IKKβ激酶并使IκB 發生磷酸化而被泛素-蛋白酶體降解。最終進入細胞核的IRF3 與NF-κB 等轉錄因子相互作用以誘導IFN-Ⅰ以及促炎性細胞因子如TNF-α、IL-6 和IL-1β 的表達[34]。

4 總結與展望

急性運動后，局部肌纖維破壞，線粒體開始變大、腫脹，出現膜結構不清晰等超微結構損傷，炎性細胞和促炎因子浸潤。由于炎癥反應期較長，在組織修復過程中易誘導肌纖維過度增生，形成修復性瘢痕，降低肌肉收縮性，增加運動后再損機率[35]。雖然損傷早期的炎癥反應在肌肉組織修復、重塑過程中發揮著重要作用，但這在骨骼肌受到嚴重損傷時更具有意義，而因急性運動導致EIMD 時，持續性的、過度的炎癥反應弊大于利。

cGAS/STING 信號通路最初因其能介導Ⅰ型干擾素參與固有免疫應答而被發現，隨著近年來研究不斷深入和拓展，發現cGAS/STING 信號通路參與了越來越多疾病的發生、發展過程，尤其在一些炎性疾病中，同時發現在此類疾病中，mtDNA 為激活cGAS/STING 信號通路的關鍵靶點[36]。

綜上所述，cGAS/STING 信號通路很可能也參與了運動性骨骼肌損傷后炎癥反應過程。但目前對cGAS/STING 通路在這一領域中的作用及機制研究仍相對偏少，尤其是針對DOMS 調控研究。探索骨骼肌mtDNA 激活cGAS/STING 通路從而介導運動性骨骼肌損傷炎癥反應發生的具體分子生物學機制，將為豐富和完善運動性骨骼肌損傷生理、病理機制提供理論基礎，為臨床干預處理DOMS 及可能因損傷累積導致的慢性疼痛提供新的治療靶點。