cGAS-STING信号通路激活机制和细胞功能研究概述

Overview of Cellular Functional Studies on cGAS-STING Signalling Pathway

摘要: cGAS-STING信号通路是先天免疫的重要通路之一，其由环磷酸鸟苷-磷酸腺苷酸合成酶(cyclic GMP-AMP synthase, cGAS)、干扰素基因刺激物(stimulator of interferon gene, STING)和一系列下游信号转导接头分子及效应分子共同组成。环GMP-AMP合成酶(cGAS)可以识别细菌、病毒等微生物的核酸，进而可以催化环GMP-AMP (cGAMP)的合成，激活免疫应答，通过STING-TBK1信号通路刺激I型干扰素的诱导。然而，该cGAS-STING信号通路还与多种疾病的发生有关，其异常激活可能使机体引发自身免疫性疾病。在细胞水平上，cGAS-STING信号通路的多方面作用已经出现：这些作用包括自噬、翻译、新陈代谢平衡、DNA损伤修复、衰老和细胞凋亡。这些作用由关键的通路成分及其与细胞生理状态的内在联系所致。在这篇综述中，我们将讨论由cGAS-STING信号通路控制的细胞生理状态的最新进展、与疾病的相关性以及引起疾病的内在机制。本文旨在提供一个全面的信号通路信息框架，结合这些机制以及细胞功能的发现，帮助研究人员更好地了解cGAS-STING信号通路的细胞功能，从而发现一些有前景的疾病治疗靶点，为今后的研究奠定理论基础。

Abstract: The cGAS-STING signaling pathway is one of the important pathways in innate immunity, which consists of cyclic GMP-AMP synthase (cGAS), stimulator of interferon gene (STING) and a series of downstream signaling junction molecules and effectors molecules. Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) recognizes nucleic acids from bacteria, viruses, and other microorganisms, which in turn catalyzes the synthesis of cyclic GMP-AMP (cGAMP), activates the immune response, and stimulates the induction of type I interferon through the STING-TBK1 signaling pathway. However, this cGAS-STING signaling pathway has also been implicated in the development of a variety of diseases, and its aberrant activation may allow the body to trigger autoimmune diseases. At the cellular level, multifaceted roles for the cGAS-STING signaling pathway have emerged: these include autophagy, translation, metabolic homeostasis, DNA damage repair, senescence, and apoptosis. These roles result from key pathway components and their intrinsic connection to the physiological state of the cell. In this review, we will discuss recent advances in cellular physiological states controlled by the cGAS-STING signaling pathway, their relevance to disease, and the intrinsic mechanisms that cause disease. The aim of this paper is to provide a comprehensive framework of signaling pathway information, combined with the discovery of these mechanisms as well as cellular functions, to help researchers better understand the cellular functions of the cGAS-STING signaling pathway, which will lead to the discovery of some promising therapeutic targets for diseases, and lay a theoretical foundation for future research.

1. 引言

细胞固有的免疫识别机制是病原体感染和内源性DNA损伤的关键防线。在这一机制中，cGAS (环状GMP-AMP合成酶)-STING (干扰素基因刺激物)信号通路扮演着重要角色，其可以识别细胞内异常的DNA并激活一系列的防御响应。随着这一信号通路的发现，其在调控免疫防御、炎症反应及免疫逃逸等方面的作用显得尤为关键。研究表明[1]，cGAS-STING通路在多种疾病，包括肿瘤、自身免疫性疾病、感染性疾病及代谢性疾病的发展中均有重要影响。

当前，尽管我们对该信号通路的概念框架有了基本的掌握，但在诸如自噬、翻译、新陈代谢平衡、DNA损伤修复、衰老和细胞凋亡的详细细胞调控机理尚未明晰。此外，cGAS-STING通路的异常激活导致免疫相关疾病和组织损伤的机制也没完全阐明。目前，通路相关研究主要集中在细胞内外信号转导、特定细胞类型的功能解析以及调控该通路的潜在靶点药物治疗策略上。

然而，cGAS-STING信号通路在不同生物体、不同细胞类型、甚至是在细胞内同一机制的功能性研究存在着显著的不足，特别是在人类疾病模型中的功能研究等。填补这些知识空白，对于理解和控制此通路在生理和病理状态下的作用意义重大。

编写本篇文献综述的原因在于系统性地梳理cGAS-STING信号通路的细胞功能和相关疾病产生机制研究，希望能够通过探究通路中涉及的分子相互作用提供对细胞生物学基本过程的新视角，为深层次的生物学问题提供解答；通过收集现有研究成果，揭示这一信号通路在不同细胞反应中的共通点和特异性，同时为后续研究提供思路，探讨不同细胞如何利用或调节这一通路以产生相关疾病。目的旨在深化科研人员对cGAS-STING信号通路的理解，促进新的研究发现，并为临床应用提供理论基础。此外，理解此信号通路在各种细胞和组织中的功能也对改进疫苗设计和促进感染性疾病治疗有着直接意义。总之，研究cGAS-STING通路不仅促进了医学领域的发展，同时也对公共卫生领域产生了深远影响。

2. cGAS-STING信号通路的概述

2.1. cGAS与DNA的识别机制

cGAS是cGAS-STING信号通路中关键的组分，其能够识别细胞内出现的异源双链DNA(dsDNA)，使自身处于活化状态，从而启动免疫防御机制[1]。深入理解cGAS与DNA的识别机制对于开发新型免疫治疗策略具有重要意义。

cGAS通过其Zn²⁺结构域与dsDNA的磷酸骨架结合，特异性地识别DNA，而不是RNA [1]。cGAS二聚并形成一个包含两个cGAS分子和两个dsDNA分子的cGAS-dsDNA复合物；经历催化口袋的结构重排后，cGAS催化ATP和GTP生成cGAMP作为第二信使[2]。

2'3'-cGAMP进一步与STING结合，激活STING [3]，进而激活免疫应答。这一过程在免疫反应和抵御病毒感染中起到了重要的作用。

2.2. STING参与的信号通路

STING是cGAS-STING信号通路中的关键调节因子，其激活促进了多种免疫应答的发展[4]。当cGAS检测到胞内的异源双链DNA时，会催化生成cGAMP，其作为信使分子与STING结合，触发其构象变化使其活化。通过多种下游信号通路诱导Ⅰ型干扰素、干扰素刺激基因的产生[5]。STING可以诱导激活Th17、NFAT、NF-κb、TCR、UPR、细胞凋亡等信号通路[6]。研究表明，这些信号通路的激活不依赖于STING介导的干扰素合成。因此STING介导的免疫应答激活具有层次性和复杂性。以下阐述主要两种相关STING的信号通路机制。

2.2.1. STING介导的TBK1通路

TANK结合蛋白(TANK-binding kinase 1, TBK1)和核因子κB (nuclear factor kappa-B, NF-κB)的抑制蛋白ε(inhibitor of NF-κBkinaseε, IκKε)被STING招募，TBK1二聚体反式磷酸化后[7]结合在STING的C端最后含有一个高度保守PLXIS的基序(P，亲水残基；X，任何残基；S，丝氨酸残基)上，接着，STING的C端尾部(CTT)作为一个结合位点，干扰素调节因子3 (Interferon regulatory Factor 3, IRF3)被招募到此结合位点并被磷酸化[8]-[10]。最终，磷酸化的IRF3二聚化并移位到细胞核中，诱导产生I型干扰素(Interferon, IFN)和一些干扰素刺激基因(Interferon-stimulated genes, ISGs) [11]。ISGs是防御病毒中非常重要的组分，它可以编码特定的酶，这些酶能够降解病毒RNA或者阻止病毒蛋白的合成。

总的来说，如图1所示，STING的激活可刺激产生干扰素和其他因子，从而限制病毒的复制和传播以及攻击细菌、寄生虫和癌细胞等多种病原体。

2.2.2. STING参与的NF-κB信号通路

哺乳动物的转录因子NF-κB家族由P50、P52、REL、REL-A、REL-B构成，REL-A和P50组合与NF-κB的抑制蛋白(inhibitor of NF-κB, IκBs)结合以无活性的状态存在于细胞质中[12]-[14]。如图2所示，IκBs结合NF-κB后，其可以掩盖NF-κB的核定位信号，阻止其入核以及其与DNA的结合，使NF-κBα

Figure 1. STING-mediated TBK1 pathway

图1. STING介导的TBK1通路

Figure 2. NF-κB signaling pathway involved in STING

图2. STING参与的NF-κB信号通路

以非活化形式存在于细胞质中。IκBs在泛素化酶复合体的催化作用下多泛素化而被蛋白酶降解，与NF-κB解离，NF-κB暴露核定位序列，转位到细胞核内与相关的DNA基序结合以诱导靶基因转录[15]-[17]。研究发现反馈机制：如图3所示，NF-κB进入细胞核中快速诱导编码IκBα基因的转录，新合成的IκBα使NF-κB与DNA解离并排出细胞核，等待重新激活。

STING通过TRIM32和TRIM56合成泛素链来活化NEMO-IKKα/β，进而促进TBK1/IKKε的活化，IκB蛋白家族作为IKK的酶作用底物，需要IKKα、IKKβ、NEMO组成的复合物或者IKKε磷酸化激活后才有与NF-κB结合的能力[6]。除了cGAS感知异常DNA激活该通路以外，泛素化连接酶在该通路中至关重要。研究人员对可能的E3泛素连接酶进行了组合敲除筛选，最终发现只有当同时缺失E3泛素化连接酶TRIM32和TRIM56后，细胞完全丧失对DNA病毒的反应，表现为病毒诱导细胞的泛素链合成及IKKα/β活化消失，证明STING通过TRIM32和TRIM56合成泛素链来活化NEMO-IKKα/β，进而促进TBK1/IKKε的活化，进而促进干扰素的释放[18]。E3泛素连接酶TRAF蛋白在cGAS-STING通路中也至关重要。研究表明，IKKα/β的活化完全依赖于TRAF蛋白，后者合成的泛素链被NEMO识别并诱导IKKα/β活化，活化的IKKα/β可以直接磷酸化IκB蛋白[19]。

Figure 3. Illustration of NF-κB dissociating DNA

图3. NF-κB解离DNA图示

与2.2.1 STING介导下游TBK1通路不同的是STING介导的NF-κB信号通路不需要STING磷酸化[20]。

2.3. 抗病毒和肿瘤免疫反应

在人体的防御机制中，对抗病毒和消灭肿瘤是两个至关重要的方面，cGAS-STING信号通路在这两个过程中扮演了核心的角色[21]。

在病毒感染后，STING介导的TBK1信号通路作为主要的病毒DNA感受通路，cGAS能识别病毒DNA的入侵，激活STING诱导干扰素表达，启动针对该病毒的免疫应答[11]。

在肿瘤微环境中，STING介导的免疫激活显示出了抗癌潜力。肿瘤细胞死亡时释放的DNA可以激活cGAS-STING信号通路。进而通过促进炎症因子的产生来促进免疫细胞的浸润，有效地清除肿瘤细胞。实验研究已经证实，STING激活能够增强肿瘤特异性T细胞的功能，改善肿瘤浸润淋巴细胞的免疫反应，这在肿瘤免疫治疗中具有重要意义[22]。通过设计STING激动剂，激活该途径可以提高肿瘤的免疫识别功能及清除率[23]。然而，肿瘤细胞可以诱导STING介导的T细胞凋亡，从而逃逸肿瘤免疫识别，

然而，细胞由于DNA修复蛋白的表达/功能缺陷，肿瘤表现出遗传不稳定性，导致肿瘤发生过程中固有的高水平细胞质DNA和构成性cGAS/STING激活。为了逃避肿瘤细胞内固有的STING激活所激发的免疫监视机制，许多癌症都进化出了STING信号通路的缺陷。尽管存在这种免疫逃避机制(包括肿瘤细胞中STING表达的基因组或表观遗传学沉默)，但遗传不稳定的癌细胞仍然通过高局部浓度的间质dsDNA和/或其cGAS催化产物2'3'cGAMP激活树突状细胞和血管内皮细胞。肿瘤内皮细胞STING表达与结肠癌和乳腺癌患者T细胞浸润增强和生存期延长密切相关。然而，过高浓度的STING激动剂对血管内皮细胞的局部刺激会导致细胞凋亡和血管坏死/塌陷。因此，STING在肿瘤免疫治疗过程中是一把双刃剑，需要优化STING激动剂剂量，最大化发挥优势同时避免T细胞凋亡和血管坏死/塌陷，才能达到更好肿瘤治疗效果。

2.4. 自身免疫病

细胞无法区分宿主自身的DNA和病原体的DNA，所以细胞拥有多重监管机制以确保STING适当激活，这对于避免免疫系统的过度活化和维持组织的稳态至关重要。然而，在一些特殊情况下，cGAS-STING该信号通路会过度激活，这与数种自身免疫疾病的发病机制有关。比如：Trex1功能突变的病人导致自身DNA积累，组成型激活cGAS-STING信号通路，诱发自身免疫疾病[24]。因此，平衡cGAS-STING信号通路的激活是治疗相关疾病的关键。除了过度激活导致的自身免疫病以外，STING功能性突变也会诱发自身免疫疾病。最近发现了一类STING功能获得性突变(StingN154S StingV155M等)诱发的自身免疫疾病，其临床症状主要表现为肺部炎症及纤维化，皮肤炎症溃疡，T细胞减少症等[25]。

总的来说，cGAS-STING信号通路在抗病毒和肿瘤免疫反应中起到关键作用，但它的激活或者功能获得性突变也与自身免疫疾病的发病机制相关。因此，精确调控cGAS-STING信号通路的活性可能是未来免疫调节研究的一个重要方向。随着对cGAS-STING通路深入的理解和新技术的应用，未来有望开发出更有效的病毒和肿瘤治疗方法。

3. cGAS-STING 信号的细胞功能

在细胞静息态，STING以二聚体的形式定位于内质网，与TRAPβ，SEC61β，STX17等多个蛋白发生相互作用，活化的STING以外壳蛋白复合物II(COPII) 依赖的方式从内质网向高尔基体迁移，活化的STING最终会通过溶酶体/泛素-蛋白酶体途径介导STING降解。进行降解。

Figure 4. cGAS-STING signaling for cellular functions

图4. cGAS-STING 信号的细胞功能

多种STING互作蛋白参与维持稳定其静态状态或协助其活化、转运和降解。在某些情况下，如图4所示，STING的激活并不依赖于传统IFN介导的抗病毒机制，而是涉及到自噬等其他细胞过程[26]。

3.1. 自噬

STING诱导的自噬对清除细胞膜 DNA或病原体至关重要，尤其是对那些缺乏干扰素机制的古生物而言[27]。STING引发的自噬而非IFN诱导，有助于限制单纯疱疹病毒1 (HSV-1)和MTB感染[28]。STING介导的自噬需要STING从内质网转移到内质网和高尔基体中间体上，这是自噬膜的一个已知来源。STING介导的UPR和细胞死亡需要STING从内质网离去。有趣的是，STING介导的UPR和自噬活性都被定位到相同的基序上(一个包含氨基酸322-343的α-螺旋)，这表明这两种活性可能依赖于一个尚未确定的共同过程。STING内质网单独离去(在到达内质网和高尔基体中间体或高尔基体之前)是否诱导任何细胞信号也不清楚[29] [30]。

3.2. 蛋白质的合成

蛋白质合成/翻译是适应环境变化和维持细胞平衡的核心生物过程，而大量蛋白质合成则是病毒感染过程中的一个突出特征。最近发现的STING-PERK信号通路控制的蛋白质合成为cGAS-STING信号在细胞功能中的作用提供了另一个层面[31]。

如图5所示，STING-PERK-eIF2α信号传导抑制了蛋白质的翻译，但却驱动了一个特殊的翻译分支，优先于炎症和生存信号传导，从而快速而复杂的限制了病毒复制。此外，静息状态下的STING可抑制RNA病毒蛋白质的合成[1]。

Figure 5. Protein synthesis controlled by the STING-PERK pathway

图5. STING-PERK通路控制的蛋白质合成

3.3. 脂质和葡萄糖代谢

脂质和葡萄糖代谢：肥胖作为一种代谢紊乱状态，与严重的炎症状态有关，cGAS-STING信号通路的异常激活在其中起着重要作用。被活化的STING能够诱发细胞分泌更多炎症因子，从而诱导慢性炎症和胰岛素抵抗。胆固醇合成与输入之间的失衡也会影响STING介导的干扰素反应[32]，脂肪酸代谢紊乱也会激活cGAS-STING机制[33]。此外，代谢性疾病经常伴随着mtDNA释放的增加，这将cGAS-STING诱导的炎症和代谢功能障碍联系起来[34]。

3.4. 细胞凝聚

dsDNA与cGAS结合后，cGAS的无序和带正电荷的N端与DNA片段会形成液态凝结物[35]。这种凝结物会维持cGAS的活性，并可被相关疱疹病毒的病毒蛋白操纵。在内质网中可以观察到，在cGAMP诱导的STING变构后，内质网膜凝集物限制了STING和TBK1的结合，从而限制了STING信号的过度传递。IRF3一旦被STING-TBK1信号激活，就能强力触发NF2致病突变体的凝集，从而利用蛋白磷酸酶2A (PP2A)消除TBK1磷酸化，并封闭STING-IRF3-IFN信号和抗肿瘤免疫[36]。

3.5. 细胞衰老

细胞衰老是一种重要的细胞命运和预防肿瘤发生的重要机制，其以不可逆的细胞周期停滞和衰老相关分泌表型(SASPs)为特征。cGAS-STING信号传导是介导DNA损伤诱导进入细胞衰老的基本机制。缺乏cGAS或STING的细胞在应对各种衰老诱因(如辐照、DNA损伤和癌基因过度激活)时表现出有限的SASPs。最近的一篇报道提出了STING-PERK-eIF2α途径及其优先翻译程序。敲除PERK可减缓衰老，而维持eIF2α磷酸化能力但缺乏IRF3激活的STING突变体仍在很大程度上发挥DNA损伤引发的衰老。中断这种非经典的cGAS-STING通路可阻止cGAMP诱导的细胞衰老和肺纤维化[37]。

3.6. DNA损伤修复

染色体不稳定(CIN)情况下的DNA修复和细胞凋亡是恢复组织损伤和避免恶性转化的途径。在对DNA损伤做出反应时，cGAS会转位到细胞核中，与双链断裂(DSB)结合，从而阻碍PARP1-引导的 DNA 修复[38]。另一项研究表明，cGAS主要是一种拴系在染色质上的核蛋白，通过与dsDNA形成高阶复合物干扰RAD51重组酶介导的DNA链侵袭，从而抑制同源重组修复[39]。最近还提出了cGAMP介导的同源重组(HR)抑制，其中cGAMP降低了细胞NAD⁺水平，抑制了多聚ADP核糖基化，而多聚ADP核糖基化是DNA修复元件招募所必需的一种广泛的翻译后修饰[40]。关于cGAS如何调控DNA损伤修复及其在肿瘤发生中的显著特征，还有待进一步研究。

4. 总结与展望

cGAS-STING信号通路是一条关键的天然免疫应答路径，已被广泛研究，因其在多种病理状态下的调节作用而受到重视。从最初发现至今，研究人员在理解其细胞内功能方面取得了显著进展。

首先，作为一种先天免疫应答的关键调节器，cGAS识别细胞内异常的双链DNA，并激活STING，进而促进了IFN-I等炎症因子的产生。该信号通路在多种病毒感染、自身免疫病、肿瘤以及代谢疾病中均发挥重要作用。在抗肿瘤疗法领域，该通路的激活展现出对肿瘤细胞生长的抑制作用，提示其作为抗癌治疗的潜在靶点。然而，该信号通路的过度激活也与自身免疫性疾病的发生相关，表明其在维持免疫平衡中的双刃剑作用。

其次，针对cGAS-STING通路的研究不仅揭示了其天然免疫信号的整体规律，还揭示了该信号通路如何影响细胞死亡、自噬、DNA损伤修复等重要细胞过程。这为理解免疫系统与细胞生物学之间的相互关系提供了新视角。尽管目前对cGAS-STING通路的研究已有重要进展，但在不同生物体模型中该通路的具体功能及其调节机制仍需要进一步探索。

综上所述，cGAS-STING信号通路在免疫应答、炎症调节和疾病治疗方面发挥着重要作用，现有研究成果对于未来该领域的探索奠定了坚实的基础，同时也指明了要深入探究的通路功能并利用其调节疾病的潜力、需要克服的挑战以及需要解答的重要问题。

随着cGAS-STING信号通路对细胞免疫防御机制重要性的日益突显，未来的研究趋势将聚焦于以下几个方面：

a) 深入探索cGAS-STING通路的调节因子和抑制因子：识别和理解调节此通路的蛋白质、小分子及其相应的遗传因素，有助于揭示信号通路的复杂性和在特定细胞状态下的功能。

b) 阐明与其他信号通路的相互作用：cGAS-STING通路与许多其它细胞内通路有交互作用，研究这些相互作用将有助于解释复杂的细胞反应，并指导相关联症状的治疗策略。

通过以上的研究，我们可以期待以cGAS-STING信号通路为靶点的创新治疗策略将为治疗肿瘤、感染性疾病和自身免疫病等提供可能性，从而对人类疾病治疗产生显著的影响。

在未来的cGAS-STING信号通路研究中，以下几方面值得进一步探讨：

1. 分子机制的深入理解：

解析cGAS-STING信号通路中未知的调控因子和互作蛋白质，明确其在信号传导中的具体作用，利用高通量筛选技术发现新的下游效应分子，以及这些分子在不同细胞类型中的功能差异。

2. 信号通路的空间和时间动态：

运用生化和细胞生物学方法研究cGAS-STING通路的活化与关闭机制，尤其是在细胞应激和病理状态下；利用高分辨率活细胞成像技术跟踪cGAS-STING通路的动态变化，阐释其在细胞生命活动中的精确调控。

3. 疾病模型的建立和应用：

构建体内疾病模型，揭示cGAS-STING信号通路异常激活与疾病发展的关系；利用基因编辑技术创建具有特定cGAS-STING通路变异的动物或细胞模型，为病理研究和治疗提供实验平台。

综上所述，对cGAS-STING通路的研究不仅要探索其在基础医学领域的作用机制，也应将焦点放在转化医学的实际应用上，以期为疾病的预防、诊断和治疗提供更多的策略和方法。同时，STING介导的干扰素以外的信号通路也将会是未来研究的一些重要方向，STING在T细胞和适应性免疫中或许发挥着重要功能。

NOTES

^*通讯作者。