cGAS-STING信號通路在自身免疫性疾病中的作用

鄧珊珊，章越凡（上海大學醫學院，上海 200444）

自身免疫性疾病（autoimmune disease，AID）是一類由于機體自身免疫耐受被打破導致機體針對自身抗原發生免疫反應，造成組織器官損傷或功能障礙的疾病，通常表現為自身反應性T 細胞、B 細胞過度活化、自身抗體大量產生等癥狀[1]。常見的AID 有系統性紅斑狼瘡（systemic lupus erythematosus，SLE）、類風濕關節炎（rheumatoid arthritis，RA）、銀屑病（psoriasis）等。Ⅰ型干擾素（typeⅠinterferons，IFN-Ⅰ）和自身核酸都被認為是AID 發病機制的關鍵性驅動因素[2]。由環磷酸鳥苷-磷酸腺苷酸（cyclic GMP-AMP，cGAMP）合成酶（cyclic GMP-AMP synthase，cGAS）介導的cGAS-STING 信號通路是一類典型的天然免疫通路，能夠識別機體自身DNA，并誘導IFN-Ⅰ的產生[3]。因此cGAS-STING 信號通路在AID 中的作用引起了人們極大的興趣。

目前，臨床上對于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抑制療法。這類治療手段雖然能起到一定的治療作用，但長期來看對患者的不良影響更大。近年來隨著免疫療法的興起，有研究人員也開始嘗試對AID 不同免疫信號通路涉及的作用靶點有針對性地開發治療藥物。鑒于cGAS-STING 信號通路與AID 之間的緊密聯系，靶向調節cGAS-STING 信號通路的抑制劑有望成為治療AID 的候選藥物。現對cGAS-STING 信號通路及其在AID 中的功能和應用進行綜述，旨在為AID 的研究和治療提供思路。

1 cGAS-STING 信號通路

cGAS-STING 信號通路的信號傳遞過程可簡要分為3 個階段：雙鏈DNA（double-stranded DNA，dsDNA）的感知、胞內信號轉導和免疫應答激活（見圖1）。

圖1 cGAS-STING 信號通路Fig 1 cGAS-STING signaling pathway

1.1 dsDNA 的感知階段

dsDNA 的感知階段主要由細胞DNA 傳感器cGAS 參與完成。目前除cGAS 外，尚未有研究表明已報道的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DNA 識別受體可借助一種不依賴于DNA 序列的方式識別并結合dsDNA，催化ATP 和GTP 生成2’3’-cGAMP[5]。值得注意的是，這一階段只有當較長片段的dsDNA 引發的信號超過一定的信號閾值時，cGAS 信號才能啟動[6]。即在cGAS有限或dsDNA 片段序列較短的情況下，cGAS 難以被激活，這種激活方式為細胞提供了一種重要的潛在保護機制。

1.2 胞內信號轉導階段

cGAMP 可作為第二信使結合并激活定位于內質網上的干擾素基因刺激因子（stimulator of interferon gene，STING），導致STING 構象發生變化[7]。有研究發現STING 可直接結合dsDNA，也可被其上游含有兩個3’-5’磷酸二酯鍵的原核CDNs（cyclic dinucleotides，CDNs）及2’3’-cGAMP 誘導活化[8]。cGAMP 與STING 的結合促進了STING向高爾基體轉運，在轉運過程中，活化的STING可招募TANK 結合激酶1 （TANK-binding kinase 1，TBK1）形成 STING-TBK1 復合物，隨后催化干擾素調節因子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），導致NF-κB 被釋放[9]。

1.3 免疫應答激活階段

IRF3、NF-κB 被激活后進入細胞核，從而誘導IFN-Ⅰ、干擾素刺激基因（interferon-stimulated gene，ISG）以及其他幾種炎癥介質、促凋亡基因和趨化因子的基因表達[9]。完成信號轉導的STING 隨后發生磷酸化、泛素化等修飾，活性受到抑制，防止天然免疫反應的過度激活[10]。

2 cGAS-STING 信號通路與AID

一方面，原本位于細胞核或者線粒體的自體DNA 泄漏到胞質或是自身DNA 清除機制存在缺陷，都有可能導致cGAS-STING 信號通路異常激活從而觸發AID。正常情況下，細胞內存在的胞質外切酶 （cytoplasmic exonuclease enzymes，DNase）可以清除胞質內冗余的DNA，從而將胞質內的DNA 水平維持在cGAS 的激活閾值之下，避免自身免疫反應的發生[11]。當DNase 存在缺陷時，細胞質內積累的異常DNA 不能被及時清除，胞質內DNA 水平達到激活閾值，導致cGASSTING 信號通路過度激活，機體自身免疫平衡被打破，IFN-Ⅰ持續產生，進而誘發慢性炎癥和AID 的發生[12]。另一方面，一些與STING 激活直接相關的基因（如TMEM173基因）發生突變也有可能導致cGAS-STING 信號通路激活異常，從而導致AID 的發生[13]。

2.1 cGAS-STING 信號通路與SLE

SLE 是一種常見的累及多臟器的AID，通常表現為IFN-Ⅰ水平增加和凋亡細胞清除缺陷。SLE 的免疫異常幾乎覆蓋整個免疫系統，被認為是AID 的原型，但SLE 的確切病因目前還尚不明確。現有研究表明，SLE 與核酸酶活力存在缺陷相關[14-15]。DNaseⅡ－/－鼠由于體內過量積累IFN-Ⅰ，導致其在胚胎期死亡[16]，而DNaseⅡ和STING雙缺失的小鼠卻可以存活，且未產生狼瘡的現象[17]。上述研究結果提示DNase缺失導致的狼瘡是依賴于STING 信號通路的。

cGAS-STING 信號通路參與SLE 的發生發展。前期的臨床調查顯示，SLE 患者血清中的dsDNA 水平明顯高于健康對照組[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 可能參與了識別結合SLE 患者體內自身dsDNA 產生cGAMP從而誘導炎癥反應的過程。但Kato 等[18]后續開展的研究顯示，SLE 患者血清中并不存在STING激動劑2’3’-cGAMP，且dsDNA 儲存在凋亡衍生膜泡（apoptosis-derived membrane vesicle，AdMV）中，該膜泡結構能有效防止胞外核酸酶的降解并持續激活cGAS-STING 信號通路，促進IFN 和白細胞介素6（IL-6）等炎性因子的釋放。以上結果提示，dsDNA 激活STING 通路并不一定只是通過cGAS 介導，不排除有dsDNA 直接激活STING 的可能性，且cGAS-STING 信號通路的持續激活很可能與細胞凋亡有關。另有研究顯示，鈣相關信號蛋白也參與了調控SLE 患者體內STING 通路，從而調節其免疫應答水平[20]。但關于cGAS-STING 信號在SLE 中發揮的作用還存在爭議。在一項降植烷（pristane，TMPD）誘導的SLE 小鼠模型實驗中，cGAS 和STING 缺陷非但不能使小鼠免于患病，反而還導致小鼠自身抗體產生增加以及蛋白尿水平的升高[21]。總體而言，SLE 潛在的病理機制存在相當大的異質性，cGAS-STING 信號通路在SLE 發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 動物模型種類及疾病發展的階段。

2.2 cGAS-STING 信號通路與STING 相關嬰兒期起病的血管病

STING 相關嬰兒期起病的血管病（STINGassociated vasculopathy with onset in infancy，SAVI）是由于與STING 激活相關的基因發生突變而表現出由IFN-Ⅰ信號增強引起的慢性炎癥和血管病變[22]。國內外關于SAVI 病例的報道基本都與STING 編碼基因（TMEM173基因）變異有關，臨床表現以新生兒期炎癥性肺部疾病、皮膚血管病變、活動耐力下降等為主[23-24]。相關的SAVI 小鼠模型研究也顯示，cGAS-STING 信號通路的過度激活會導致小鼠出現與SAVI 患者癥狀相似的無菌性炎癥、免疫系統功能紊亂和重癥肺炎[25]。STING編碼基因的突變導致STING 過度激活，誘導大量IFN-Ⅰ產生，IFN-Ⅰ與干擾素受體結合后，經過Janus 激酶（janus kinase，JAK）-信號傳導與轉錄激活因子（signal transducer and activator of tran ions，STAT）（JAK-STAT）信號通路進一步級聯活化，產生炎癥風暴，從而對STING 高表達的組織造成嚴重持久的損傷[22，26]。有研究報道采用JAK 抑制劑可有效抑制患者體內STAT 二聚體活化以控制cGAMP 誘導的STING 轉錄，并在一定程度上抑制炎癥[27]，提示JAK 抑制劑有望成為cGAS-STING信號通路過度激活的治療藥物，但JAK 抑制劑的安全性和有效性仍需要大量的臨床試驗驗證。

2.3 cGAS-STING 信號通路與RA

RA 是以破壞性與對稱性關節病變、關節滑膜炎為特征的慢性自身免疫性疾病[28]。有研究指出，RA 患者成纖維細胞樣滑膜細胞中胞質 dsDNA 表達增加，且dsDNA 和cGAS 的表達與類風濕滑膜炎的嚴重程度相關，RA 患者細胞的cGAS或STING被敲除后細胞因子表達減少[29]，這表明cGAS-STING 信號通路介導了RA 的炎癥反應。在另一項研究中發現，cGAS 可通過激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）和細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinase，ERK）信號通路，促進RA 成纖維細胞樣滑膜細胞的炎癥反應[30]。盡管AKT 信號通路的激活有可能會抑制STING 通路下游的激活[31]，但目前關于RA 中cGAS 激活AKT 和ERK 信號通路是否與cGASSTING 信號通路激活調控有關尚未得到驗證。綜上，cGAS-STING 信號通路與RA 的發生發展有著密切的聯系。

2.4 cGAS-STING 信號通路與銀屑病

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在內的并發癥，與先天性和適應性免疫反應有關[32]。有研究發現，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 及其相關基因表達上調的現象[33-35]。初步機制研究表明，在銀屑病患者皮膚的巨噬細胞和角質形成細胞中，STING 作為自身DNA 傳感器誘導炎癥反應，介導免疫細胞釋放TNF-α或H2O2，產生的TNF-α、H2O2可促進DNA 釋放到角質形成細胞胞質中，同時抑制dsDNA 誘導產生的STING 蛋白降解[34]。在一項STING 拮抗劑 H-151 的體內外抗銀屑病作用研究中發現，局部給予H-151 能減輕咪喹莫特誘導的銀屑病皮膚損傷，并減輕炎癥的發生，其作用機制為通過抑制角質形成細胞和免疫細胞中的STING/NF-κB 信號轉導，抑制皮膚的炎癥，減輕銀屑病的癥狀[35]。

2.5 cGAS-STING 信號通路與其他AID

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

3 cGAS-STING 信號通路抑制劑在AID 中的研究

自2013年首次發現cGAS 是胞質識別DNA受體以來[37]，后續相繼發現了眾多小分子化合物對因cGAS-STING 信號通路異常引發的AID 有療效。Hansen 等[38]報道了STING 抑制劑硝基脂肪酸能抑制SAVI 患者成纖維細胞中IFN-Ⅰ的產生。有研究報道STING 抑制劑SN-011 已被證實可以抑制SAVI 疾病相關的STING 突變體激活活性，并且可調節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，小分子環肽Astin C 可特異性抑制cGAS-STING信號通路及胞質DNA 所誘發的炎癥反應，顯著降低小鼠自身免疫炎癥反應[40]。Haag 等[41]報道了三種靶向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胞STING 蛋白中的Cys91 發生共價結合，阻斷STING 活化所誘導的棕櫚酰化，阻礙STING 多聚體復合物形成，抑制下游免疫應答激活，減弱小鼠自身炎癥疾病的病理特征。該類化合物活性強且分子量低，藥理實驗結果顯示能夠有效阻斷機體天然免疫反應的信號通路，是靶向cGAS-STING 信號通路治療AID 極具潛力的候選藥物。An 等[42]研究發現，在AGS 小鼠模型中，作為抑制cGAS 與DNA 相互作用的化合物X6 療效優于羥氯喹，可顯著降低小鼠脾臟細胞ISGs的表達，同時X6 在降低SLE 患者外周血單個核細胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMCs）ISGs表達方面也明顯優于羥氯喹。該結果表明，X6 通過抑制cGAS-STING 信號通路激活治療AGS 和SLE 具有明顯優勢。近期有研究發現，周期蛋白依賴性激酶抑制劑帕博西尼可直接靶向STING Y167，通過阻斷STING 二聚化抑制其激活，后續研究結果表明帕博西尼對葡聚糖誘導的腸炎或TREX－/－小鼠的自身炎癥性疾病具有保護作用[43]。

4 展望

綜上所述，cGAS-STING 信號通路作為DNA傳感器通路為AID 啟動和發病的關鍵途徑，因此針對cGAS-STING 信號通路開發調控該信號通路治療AID 的藥物顯得尤為重要。就理論而言，與現有阻斷IFN-Ⅰ下游信號通路（如JAK 抑制劑）的治療藥物相比，cGAS 及STING 抑制劑可能更具優勢，因為其他識別細胞質內核苷酸的信號通路相對完整。但值得注意的是，cGAS-STING信號通路作為機體天然免疫系統的重要防御機制，除了參與常見AID 的發生發展過程，它還在因cGAS-STING 信號通路異常激活誘發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程中發揮著重要作用，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 信號通路的免疫抑制藥物時有可能會導致相關并發癥惡化，機體免疫功能失調，增加病原微生物感染風險，長期使用甚至有可能導致腫瘤發病率提高。近些年對cGAS-STING 信號通路在AID 中的作用機制研究較為深入，但由于AID 發病機制的復雜性及實驗模型的差異性等不可避免的因素，目前在該方向的藥物臨床轉化效率還有待提升。因此，闡明cGAS-STING 信號通路在不同類型的AID 中發揮的不同作用機制非常必要，有助于我們進一步了解AID 的發生機制，為AID 的預防和治療尋找更多潛在的方法。