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1、环化核甘酸合成酶-干扰素刺激因子信号通路在呼吸系统疾病中的研究进展2024摘要环化核甘酸合成酶（CGAS）是一种DNA感受器,通过环鸟甘酸-腺苜酸（CGAMP）将信号传递给干扰素刺激因子（STING）,诱导下游通路产生一系列免疫及炎症反应。近年的研究表明，cGAS-STING信号通路在肺部感染性疾病、肺癌、特发性肺纤维化、慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘和急性肺损伤等多种呼吸系统疾病的发生发展中发挥重要作用，为呼吸系统疾病的诊断和治疗提供了新的靶点。本文综述了cGAS-STING信号通路及其在呼吸系统疾病研究中的最新进展。环化核甘酸合成酶（CGAS）是一种DNA传感器。能够在不考虑DNA序列异质性
2、的情况下识别和结合细胞质DNA,并激活干扰素刺激因子（STING）,诱导I型干扰素（IFN-I）和其他炎症因子的释放10研究表明，cGAS-STING信号通路在宿主防御微生物感染,抗肿瘤免疫,细胞衰老，自噬以及自身免疫2和炎性疾病发挥重要作用，多种疾病和器官损伤密切相关3o本文主要对cGAS-STING信号通路在呼吸系统疾病中的相关研究进展进行综述。一、CGAS-STlNG信号通路概述CGAS是一种细胞质DNA感受器,能识别外源性和内源性的双链DNA(dsDNA)的氨基末端结构域，在CGAS催化下，ATP和GTP之间通过两个磷酸二酯键环化成环鸟苜酸-腺甘酸(cyclicGMP-AMPzCGAM
3、P),其中一个磷酸二酯键位于GMP的N-羟基和AMP的5二磷酸之间,另一个位于AMP的3，-羟基和GMP的5,磷酸之间,因此cGAMP又称为2,31-cGAMPo作为第二信使,CGAMP可以招募其下游效应蛋白STINGoSTlNG是一种位于内质网膜中的跨膜蛋白，是CGAMP的直接感受器。与cGAMP结合后,活化的STING以囊泡的形式离开内质网，并转移到高尔基体，发生自身结构改变，进一步招募TANK结合激酶1(TBK1)并使其磷酸化，继而诱导下游的干扰素调节因子3(IRF3)磷酸化，IRF3磷酸化后进入细胞核,诱导IFN-I表达和释放。STlNG还可以激活核因子-RNF-KB)通路，诱导IFN
4、-I及其它免疫相关细胞因子(如IL-6,肿瘤坏死因子等)表达1,3。上述cGAS-STING-TBK1-IRF3和cGAS-STING-TBK1-NF-KB过程为cGAS-STING信号通路的经典反应过程。除此之外，最近发现了一条CGAS-STING-PERK-eIF2cdl路，该通路发生在内质网(ER)中，完全独立于STING-TBK1-IRF3级联，在细胞的衰老、纤维化中起到重要的作用40在STlNG-PERK信号体向内质网-高尔基中间室(ERGlC)和高尔基体运输过程中逐渐分解，含有STING的ERGIC作为微管相关蛋白1A-1B-轻链3(LC3)脂化的膜源,诱导自噬体形成，这对于清除胞
5、质DNA和病毒至关重要50IRF3的独立转录功能早已得到认可，一旦被激活，可以与Wntx转化生长因子(TGF-)和细胞凋亡等多种信号通路相互作用，并触发细胞凝聚来调节细胞命运和肿瘤发生6,7,80因此，cGAS-STING信号通路的激活会诱导炎症因子上调和下游信号通路的开启，进一步发挥生物学效应。二、外源性DNA对cGAS-STING信号通路的激活细菌、病毒、寄生虫等外源性DNA可以被CGAS感知，激活cGAS-STING信号通路，启动天然免疫应答，是机体防御病原微生物入侵的第一道防线。1型单纯疱疹病毒（HSV-1）是首个被报道在体内外激活CGAS-STlNG通路的DNA病毒。研究显示，HSV
6、-1感染后，CGAS识别胞质DNA并催化第二信使23,-cGAMP的合成,CGAMP与STING结合,激活下游IFN-I通路、炎症小体NLRP3通路等，发挥抗病毒反应9o另一方面，一些病毒通过cGAS-STING通路逃避抗病毒免疫反应，促进病毒复制和发病。如HSV-1包膜蛋白UL56是CGAS介导的先天免疫反应的负调节因子10；人乳头瘤病毒和腺病毒的结构域都包含一个LXCXE基序，该基序可以抑制CGAS活性,感染这两种病毒时，cGAS-STING通路受到抑制，无法诱导IFN-I的表达11,从而逃避了宿主的免疫反应。与病毒感染相比，细菌感染中的cGAS-STING信号通路更加复杂多样，IFN-I
7、对宿主是保护还是有害，取决于细菌的种类和感染的方式。STING的激活不仅可以启动IFN-I反应，而且可以通过调节新陈代谢或下游其他途径影响感染预后。研究显示，有些革兰阳性菌（如金黄色葡萄球菌、单核细胞增多性李斯特菌、化脓性链球菌等）产生的腺苗二磷酸（c-di-AMP）,可以激活STING,诱导IFN-I反应,发挥宿主抗感染防御；而有些革兰阴性菌则通过非STING依赖性信号通路诱导先天性免疫反应12o三、内源性DNA对CGAS-STlNG信号通路的激活正常情况下，人体细胞的细胞质中不含DNA,DNA主要存在于线粒体和细胞核中。当线粒体或细胞核损伤时，DNA会进入细胞质。CGAS除了识别外源性DN
8、A外，也可以识别这些内源性的DNA激活cGAS-STING信号通路。内源性DNA主要包含线粒体DNA(mtDNA核DNA和包装成微核的缺陷DNAo1.mtDNA激活：线粒体是一种具有特殊代谢功能的双膜细胞器，不仅产生ATP,还调节细胞内的钙离子、氧化应激、代谢产物、细胞凋亡等生物过程。线粒体是除细胞核外唯一带有DNA的细胞器，在细胞内具有重要的功能。mtDNA通常被包装成线粒体类核的蛋白质结构，受线粒体转录因子A(TFAM)调节。TFAM是维持mtDNA功能稳定性的关键蛋白，当TFAM缺失时，线粒体结构受损，导致mtDNA在胞质中异常积累，被CGAS识SU,激活cGAS-STING信号通路13
9、02核DNA激活：在外界环境压力和内在病理因素的作用下，细胞核DNA因染色质不稳定、细胞受损或死亡而进入细胞质，并在细胞质中积累，激活cGAS-STING信号通路,诱导IFN-I生成,造成组织损伤。3微核DNA激活：微核是一种含有DNA的小细胞器，由类似核的小体组成染色体碎片包裹在脆弱的核膜中形成的，是DNA损伤和染色体不稳定的生物标志。由于缺乏稳定的核膜，微核的膜很容易破裂并将其中DNA成分暴露到胞质中，CGAS也能够被募集到微核中,识别微核DNA,合成cGAMP14,从而激活cGAS-STING信号通路。四、cGAS-STING信号通路与呼吸道疾病1 .呼吸道感染性疾病:呼吸道感染性疾病可
10、由多种病原体导致,包括细菌、病毒、结核等。有研究表明，CGAS-SnNG通路是机体抵御呼吸道病毒、细菌、结核感染的重要环节。病毒感染：虽然CGAS是DNA感受器，因此主要针对细菌和DNA病毒起作用，如HSV.腺病毒、巨细胞病毒等。但是在一些常见呼吸道的RNA病毒感染，如流感病毒、新冠病毒中cGAS-STING通路也发挥重要的调控作用。流感病毒分为甲型、乙型和丙型。甲型流感病毒（IAV）变异性最强，可引起大流行。根据血凝素和神经氨酸酶的不同JAV进一步分为多种亚型，其中H1N1亚型最为常见。有报道表明cGAS-STING通路参与由IAV感染诱导的宿主细胞先天免疫15OIAV可通过NF-KB等途径
11、导致促炎细胞因子、干扰素（IFN）和趋化因子产生，诱导宿主细胞炎症反应和抗病毒反应161最近的研究发现,感染IAV的老年小鼠,由于mtDNA激活cGAS-STING通路,可导致感染的小鼠出现严重的病毒性肺炎口7O新型冠状病毒是一种RNA病毒，导致了数以百万计的感染和数百万人的死亡，其主要特点是过量的细胞因子产生和严重的肺损伤。研究显示，新型冠状病毒感染患者血清中游离DNA的水平显著升高18o这可能与新型冠状病毒入侵宿主细胞后引起细胞融合，诱导细胞核损伤和微核形成有关。同时，感染导致mtDNA释放增加，这些内源性DNA进一步激活cGAS-STING通路，诱导IFN-I和其他炎症因子产生，从而加剧
12、疾病的进展190新型冠状病毒还可以通过多种方式来逃避cGAS-STING通路的识别和激活。研究显示，新型冠状病毒的核衣壳蛋白通过DNA诱导的液-液相分离（LLPS）破坏CGAS及其辅因子G3BP1的组装，减弱CGAS对dsDNA的识别能力，抑制CGAS-STING通路及其下游IFN-I通路的激活20o虽然此种方式可限制病毒传播，但感染后期IFN-I的持续升高与异常炎症和不良的临床结果相关21,220此外，新型冠状病毒还通过开放阅读框10(ORFW归STING相互作用,阻断STING易位肖U弱STING与TBK1之间的结合,从而破坏cGAS-STING信号通路，以对抗先天性抗病毒免疫230因此,
13、深入研究新型冠状病毒和cGAS-STING通路之间的相互关系，对寻找更有效的治疗策略和疫苗研发有重要意义。细菌感染：流感嗜血杆菌作为一种定植于鼻咽部的条件细菌，可向下迁移至下呼吸道，是与肺炎、支气管扩张，尤其是慢性阻塞性肺疾病相关的重要侵袭性病原体。文献报道在流感嗜血杆菌感染的小鼠肺组织中STING水平显著增加。当敲除STING或使STING过表达时,相应的会导致TBK1和IRF3表达减少或增强。由此可见流感嗜血杆菌DNA触发的IFN-I反应依赖于STING-TBK1-IRF3途径24o虽然肺炎链球菌是社区获得性肺炎常见的病原菌，肺炎链球菌DNA可以激活cGAS-STING通路,但是在诱导IF
14、N-I和促炎因子产生方面存在部分缺陷，有研究表明，在小鼠和人类的肺炎链球菌肺炎中该通路没有发挥主要的作用250嗜肺军团菌是导致肺炎的常见病原体，所导致的肺炎通常被称为退伍军人病，尽管有效的抗生素治疗能控制感染，但病死率仍很高。嗜肺军团菌通过CGAS-STING通路在体外内可刺激IFN-I反应。研究数据表明，STING或CGAS缺乏会显著降低IL-邛和IL-6的产生，另外还显示出对TNFa的一些轻微影响26o肺结核是由结核分枝杆菌感染引起的呼吸道传染性疾病，全球每年因结核病死亡人数超过10O万，严重威胁了人类健康。结核分枝杆菌主要存活于巨噬细胞内，ESX-1是主要的毒力因子。近年的研究显示，ES
15、X-1可以使宿主细胞膜通透性增加，动员mtDNA和核DNA释放入细胞质，激活cGAS-STING途径,诱导抗菌防御27o但ESX-1影响巨噬细胞细胞核和线粒体膜完整性的潜在机制尚不清楚。在宿主细胞和结核分枝杆菌之间的不断博弈中，结核菌采用了许多策略来逃避cGAS-STING通路的监测，引发结核感染。例如，结核分枝杆菌编码蛋白Rv0753c不仅可以通过与STING结合和共定位来降低STING水平和随后的IRF3激活，还可以通过与p62结合来促进STING自噬降解,从而抑制STING-TBK1-IRF3途径28;结核分枝杆菌磷酸二酯酶可以通过切割c-di-AMP和CGAMP来抑制STING的激活，
16、从而减弱抗菌反应29;与严重结核病相关的结核分枝杆菌分离株可以通过产生SigA识别框或影响ESX-1的组件来逃避cGAS-STING监测系统，同时，这些菌株引起的IL-1分泌显著减少30L此外,环二核苗酸佐剂蛋白亚单位疫苗和结核分枝杆菌磷酸二酯酶抑制剂都可以引发更强的抗炎反应来保护宿主免受结核菌感染31,320CGAS上游的rs610913基因多态性也对肺结核的复发和肺外结核的发生有显著影响33o因此，在研发新的抗结核药物和疫苗设计时应考虑cGAS-STING通路对结核分枝杆菌的作用。2 .肺癌：基因组不稳定性是癌症的显著特征。DNA在细胞内不断受到外界环境和内部生物过程影响造成损伤，未被及时
17、修复或修复不当的DNA损伤可能导致恶性突变，也会激活cGAS-STING信号通路，促进IFN-I在肿瘤细胞或树突状细胞中的表达，从而启动先天性抗肿瘤免疫34CGAS-STlNG通路及其相关蛋白在肺癌中普遍表达并与T细胞功能基因、肺癌的组织学、治疗和预后密切相关。研究发现,STING是早期肺腺癌无复发的积极预后标志350Raaby等36观察到非肿瘤患者外周血单核细胞中CGAS的表达显著高于肺癌患者，有转移的肺癌患者cGASxSTING和TBK1的表达显著低于局限期患者。在I期和11期肺癌患者中，cGAS.STING和TBK1的高表达与肺腺癌患者的长生存相关。因此,cGAS-STING信号通路蛋白
18、的表达可能是反映肺癌预后的潜在生物标志物。免疫治疗在肺癌的治疗中显示出巨大的潜力，cGAS-STING通路是肺癌免疫治疗重要的靶点。在免疫治疗中，可以通过联合化疗、放疗或DNA损伤反应靶向抑制剂(DDRI)产生微核或胞质dsDNA,激活cGAS-STING通路，或直接使用STING激动剂37,提高免疫治疗的效果。Zhou等38研究显示，免疫联合化疗可以激活cGAS-STING通路增强非小细胞肺癌(NSCLC)的抗肿瘤免疫。低剂量卡粕还可以激活小鼠肺癌模型中的CGAS-STING通路,并增加免疫检查点细胞程序性死亡-配体1(PD-L1)的表达和CD8+T细胞的浸润。在肺癌的免疫治疗中，添加DDR
19、l和检查点激酶1(CHK1),可以激活cGAS-STING通路，使IFN-I和趋化因子CXCL10和CCL5高表达，促进细胞毒性T淋巴细胞的活化和聚集，并提高免疫治疗的效率39,40o同时，高STING通路激活的NSCLC患者表现出更好的免疫治疗阳性反应41o因此，我们可以通过检测CGAS-STING通路的蛋白表达水平来预测肺癌对免疫治疗的反应和预后。强化GAS-STING通路的激活可以增强NSCLC的放射敏感性。Xue罩42发现采用STING激动剂可以使cGAS-STING通路的激活增加，促进NSCLC细胞凋亡而增强放射敏感性。Long等43研究显示G蛋白偶联受体家族中的GPR162可以增强
20、DNA损伤反应激活CGAS-STlNG通路，促进IFN-I和趋化因子CXCL10、CXCL4的表达，抑制肿瘤的发生和发展，成为放疗的潜在增敏剂。由此可见，GAS-STING通路可作为肺癌潜在的治疗靶点。3 .特发性肺纤维化(IPF):IPF是一种不明原因的、进行性、致残性疾病，其特征是肺间质纤维化和肺功能丧失。IPF发病机制尚未完全清楚,主要与反复肺部微损伤、DNA损伤、细胞死亡和组织修复失调等有关。IPF患者血浆和肺泡灌洗液中的mtDNA拷贝数升高可作为预测疾病进展和死亡的生物标志物44oSchuliga等45在IPF患者纤维化区域肺组织的成纤维细胞中观察到CGAS诱导的免疫反应性。靶向抑制
21、CGAS可以延缓肺成纤维细胞的衰老，提示CGAS参与了IPF的发病过程。在IPF的肺上皮细胞中，DNA损伤、线粒体功能障碍、mtDNA释放可以慢性激活cGAS-STING,诱导适应性T细胞免疫,提示cGAS-STING通路是肺纤维化新的潜在病理机制，为IPF治疗开辟了新的前景46,47Js在博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，氟伏沙明可以抑制CGAS和STING,进而抑制其下游靶标的激活，降低炎症因子的表达，减弱成纤维细胞的激活和迁移，从而减轻小鼠肺纤维化，提示氟伏沙明可以成为一种有效的IPF抗纤维化药物480也有研究显示，STING在限制纤维化进展方面具有一定作用，在IPF的小鼠模型中,STI
22、NG缺乏会导致的肺部胶原蛋白沉积增加和重塑因子表达过度,加剧肺纤维化发生,而STING介导的保护作用并不依赖于IFN-I信号通路49,因此，cGAS-STING通路在IPF中的作用还有待进一步的深入研究。4 .慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）:慢阻肺是一种慢性气道炎症性疾病。吸烟、空气污染等因素持续激活先天性和适应性免疫反应，涉及多种炎症细胞和细胞因子，导致肺部慢性炎症、肺泡破坏（肺气肿）和细支气管阻塞，进而影响肺功能。氧化应激是慢阻肺重要的发病机制，过量的活性氧（ROS）产生会增加线粒体损伤，使大量核DNA和mtDNA异常释放到细胞质中500吸烟是慢呼市独立的危险因素，香烟烟雾可导致ROS产生
23、和内源性DNA释放增加被CGAS感知后激活CGAS-STING信号通路,进而引起IFN-I表达,导致肺部损伤。敲除CGAS或STING基因后肺部炎症可得到缓解51L在臭氧所致的小鼠慢阻肺模型中，慢性臭氧暴露会影响气道上皮细胞膜和细胞器的完整性，导致线粒体ROS.DNA和蛋白酶释放,激活cGAS-STING通路和细胞死亡途径,导致肺泡间隔破坏、重塑和纤维化。提示cGAS-S11NG通路可能是治疗以氧化应激为特征的慢阻肺的潜在靶点52o但是，该通路在慢阻肺的不同分期、病情严重程度以及预后等方面的作用还有待进一步深入研究。5 .支气管哮喘（简称哮喘）:哮喘是由气道炎性细胞、结构细胞和细胞组分参与的气
24、道慢性炎症性疾病。在过敏原的刺激下，机体可以产生先天性和适应性免疫反应。气道上皮细胞是抵御微生物、气体和过敏原的第一道防线。在卵清蛋白（OVA）或屋尘螭提取物（HDM）诱导的小鼠哮喘模型中，气道上皮细胞的胞质中dsDNA显著增加。而敲除CGAS后可以显著减轻OVA或HDM诱导的气道嗜酸性粒细胞炎症、黏液过多和气道高反应性。提示CGAS在哮喘发病中起着重要的作用53L研究还发现，用HDM对STING敲除小鼠进行致敏后,血清总IgE和HDM特异性IgE均降低，肺泡灌洗液和纵隔淋巴结中的B细胞和IgE阳性的B细胞比例也显著降低加用CGAMP可增加哮喘小鼠血清IgE水平以及B细胞比例。提示cGAS-S
25、TING通路在支气管哮喘IgE产生和B细胞成熟转化中有一定的作用54o真菌、细菌、病毒等病原菌是诱发支气管哮喘急性加重的重要因素，cGAS-STING通路不仅在抗病原菌所致的肺部炎症中发挥重要作用,也可以负调节哮喘小鼠模型2型免疫反应，减轻气道高反应。因此xcGAS-STING通路可能是过敏性哮喘气道炎症有希望的治疗靶标55,5616 .急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征：急性肺损伤（ALI）/急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是一种由肺部或肺外因素引起的急性低氧性呼吸衰竭，其特征是急性、弥漫性、炎症性5市损伤和肺泡毛细血管通透性增加。研究表明，线粒体功能障碍和代谢受损与ALI/ARDS病理改变有关，
26、可导致不同程度的肺泡炎症和肺水肿571受损的线粒体释放mtDNA与ALI/ARDS的严重程度密切相关，血浆mtDNA拷贝数与ARDS患者的28d存活率和不良结局相关58,可作为临床诊断和评估肺损伤严重程度的生物标志物59o在机制上，从受损的线粒体释放的mtDNA及ROS可以通过cGAS-STING通路诱导炎性细胞因子产生和炎症小体激活，并加重肺损伤60o抑制CGAS和敲除STING可以缓解炎症反应和氧化应激，减轻ALI61o因此,靶向抑制mtDNA介导的cGAS-STING通路有望作为治疗ALI/ARDS的新方法。五、展望cGAS-STING信号通路在多种呼吸系统疾病的发生和发展过程中起着重要
27、作用。但cGAS-STING信号通路是一把双刃剑，一方面，激活cGAS-STING信号通路，可以通过增强炎症反应抵御病原体入侵；通过促进免疫细胞浸润和肿瘤细胞凋亡而发挥抗肿瘤作用。但另一方面，cGAS-STING信号通路的过度激活也可能导致组织炎症和氧化应激的加剧，加重肺组织损伤，诱发AU/ARDS、慢阻肺和IPF等疾病进展，甚至促进肿瘤的发展及转移62o同时，病原体和肿瘤细胞也会通过各种途径逃避cGAS-STING信号通路的监测和激活。针对该通路，目前已有不少新药研发工作，如STING激动剂和拮抗剂等63,64,65,66f67,68,以期为临床提供新的治疗方法。因此，深入研究cGAS-STING信号通路在呼吸系统疾病中的作用，对我们了解这些疾病的发病机制、研发治疗新的治疗药物具有重要的意义。
