病理学论文
摘 要： 干扰素基因刺激因子(STING)作为固有免疫系统的一个关键性接头蛋白，在宿主抵御外界病原菌的入侵中发挥了重要作用，同时STING又具有炎症分子的特征，与机体的炎症反应密不可分，尤其当STING的表达上调或其相关信号通路过度活化时，机体可能因过度炎症反应的产生而引起一些严重的感染性疾病、非感染性疾病以及自身免疫性疾病。因此，深入探究STING及其相关信号途径在炎症性疾病中的作用，有望为临床相关疾病的治疗提供新的途径。
关键词： 干扰素基因刺激因子; 炎症反应; 自身免疫性疾病; 环磷酸鸟苷-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子信号通路; 感染性疾病;
Abstract： Stimulator of interferon genes( STING) as a critical joint protein in the innate immune system,plays a vital role in the host against the invasion of external pathogens. At the same time,STING also has the characteristic of inflammatory molecules and is closely related to the host inflammatory responses. Especially,when STING is over-expressed or its related signaling pathways are over-activated,it may also cause excessive inflammatory responses of the host,resulting in some serious infectious diseases,non-infectious diseases and autoimmune diseases. Therefore,exploring the function of STING and its related signaling pathways in the inflammatory diseases is expected to provide a new approach for the clinical treatment of the related diseases.
Keyword： Stimulator of interferon genes; Inflammatory responses; Autoimmune diseases; Cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate synthetase-stimulator of interferon genes pathway; Infectious diseases;
干扰素基因刺激因子(stimulator of interferon genes,STING)是在高通量筛选互补脱氧核糖核酸(complementary deoxyribonucleic acid,cDNA)表达文库时发现的，因能激活干扰素的启动子而得名，也被称为跨膜蛋白173、干扰素调节因子3的调控激活因子以及内质网干扰素刺激蛋白等[1]。人的STING由379个氨基酸组成，分子量约为42 000，与小鼠STING蛋白相似度约为81%，其N端(1～173)包含5次跨膜结构，C端(174～379)是胞质内可溶部分即羧基端结构域[2,3]。N端的功能目前尚不清楚，推测可能与其在细胞内的定位有关，羧基端结构域可识别并直接结合环二核苷酸，包括环二鸟苷酸、环二腺苷酸和环化鸟苷酸-腺苷酸(cyclic guanosine monophosphate-adenosine monaphosphate,cGAMP)等[2,3]。STING蛋白主要表达于人的巨噬细胞、T淋巴细胞、树突状细胞、内皮细胞、上皮细胞及成纤维细胞等的粗面内质网、线粒体及微粒体的外膜上[4]。STING作为众多信号通路中的一个中枢免疫分子，通常以二聚体的形式处于自我抑制状态，受上游信号刺激后发生蛋白构型改变，进而被活化，继而引起下游一系列免疫细胞及炎症因子的活化与产生，从而促进机体内炎症反应的发生，并产生相应的临床症状。现就STING、相关的信号通路及其在机体炎症性疾病中的作用进行综述。
1 、STING及其相关信号通路
固有免疫应答是机体抵御外来病原微生物入侵的第一道防线，该过程主要由表达于机体固有免疫细胞表面的一类能够直接识别并结合病原微生物或宿主凋亡细胞表面的病原相关分子模式(pathogenassociated molecular pattern,PAMP)受体诱导发生，这类受体被统称为模式识别受体，常见的模式识别受体包括视黄酸诱导基因1样受体、Toll样受体、2'-5'-寡腺苷酸合成酶、C型凝集素受体以及核苷酸寡聚化结构域样受体等[5]。常见的PAMP有两大类，第一类主要包括细菌的脂多糖、磷壁酸、肽聚糖、甘露糖以及病原菌的DNA和双链RNA等，统称为PAMP;另一类主要是自身细胞、组织或器官受到缺氧、创伤以及应激等因素损伤后释放到胞外的一些内源性物质，统称为损伤相关分子模式[6]。研究表明，无论是PAMP还是损伤相关分子模式，只要能被宿主的模式识别受体识别，最终都会通过相关信号通路激活下游接头分子STING，活化后的STING立即发生构象改变，然后通过自噬小体经内质网、高尔基体被转运到核外周小体上，该过程同时会导致STING的泛素化，被泛素化的STING可通过募集TANK结合激酶1(TANK binding kinase 1,TBK1)，分别激活下游干扰素调节因子3(interferon regulatory factors 3,IRF3)和信号转导及转录激活因子6(signal transduction and activator of transcription 6,STAT6)诱导Ⅰ型干扰素和趋化因子配体(chemokine ligand,CCL)2、CCL20等炎症因子的表达;另外，STING还可通过调控核因子κB抑制蛋白激酶(inhibitor of nuclear factorκB kinase,IKK)的活性激活转录因子核因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)，调控肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6等炎症因子的表达[7,8]。
环磷酸鸟苷-腺苷合成酶(cyclic guanosine monophosphate-adenosine monaphosphate synthetase,c GAS)属于Mab-21(male abnormal 21)家族蛋白，包含保守的Mab-21结构域，作为一个广谱的胞质DNA识别受体，其可以感知细胞质中的DNA，并以GTP和ATP为原料催化合成cGAMP,cGAMP作为第二信使可以被内质网表面的接头分子STING识所别，通过STING-TBK1-IRF3、STING-TBK1-STAT6及STING-IKK-NF-κB等信号级联效应诱导下游相关免疫细胞及炎症因子的活化与产生，促进宿主的抗感染免疫效应，但同时也会加剧机体的炎症反应性损伤，甚至导致一些自身免疫性疾病的发生[9,10]。
2 、STING与炎症性疾病
2.1、 STING与感染性炎症
STING蛋白在机体免疫防御中具有重要作用。研究发现，STING基因缺陷小鼠虽然能够存活，但易感染多种病原微生物，如敲除小鼠胚胎成纤维细胞、巨噬细胞或树突状细胞中的STING基因后，分别转染单纯疱疹病毒1(herpes simplex virus 1,HSV1)、革兰阳性李斯特菌以及细菌基因组或质粒等均不能有效诱导上述细胞产生Ⅰ型干扰素[9,11]。采用体外短发夹RNA对人单核巨噬细胞系中的cGAS和STING分别进行干扰后，在cGAS或STING表达受限的情况下，细胞在受到结核分枝杆菌感染后，Ⅰ型干扰素的表达水平明显下降，该结论在c GAS或STING基因缺失突变的小鼠体内也得到证实，且结核分枝杆菌可激活STING相关自噬过程，通过溶酶体降解途径清除小鼠体内的结核分枝杆菌;此外，鼠型沙眼衣原体也能激活STING相关信号通路，诱导小鼠体内抗沙眼衣原体免疫反应[12,13]。在慢性乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)感染的小鼠中，cGAS-STING通路可以抑制小鼠肝脏细胞中HBV的复制，活化小鼠肝脏细胞及其周围浸润的免疫细胞中的STING蛋白后，小鼠体内病毒的复制明显被抑制，而敲除肝脏相关细胞的STING蛋白后，小鼠体内HBV DNA拷贝数明显增加[14];此外，慢性乙型肝炎患者体内STING的表达水平较健康人群低，并与病毒的复制水平呈负相关[15]。
STING不仅在宿主抗双链DNA的微生物感染中发挥了重要作用，可能也在抗负链或正链RNA病毒诱导的机体免疫应答中发挥重要作用。研究表明，下调胚胎成纤维细胞中STING蛋白表达小鼠对水疱性口炎病毒、仙台病毒感染极其敏感[10]。研究显示，人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)入侵宿主细胞后，机体可通过激活cGAS-STING相关信号通路，诱导抗HIV免疫效应，从而有效抑制宿主体内HIV的复制;但细胞在STING表达受限的情况下加入人工合成的双链RNA类似物聚肌胞苷酸后并不影响该细胞产生Ⅰ型干扰素的能力，且与双链DNA微生物感染相反，RNA病原体不仅没有明显地诱导STING依赖的相关自噬过程，也未明显激活与其相关的固有免疫基因的表达[1,16]。因此，STING对RNA病毒复制所发挥的抗病原体机制可能与抑制DNA病毒复制的机制不同。综上，STING调控RNA病毒复制的机制还有待进一步研究，但STING分子有可能在宿主细胞中承担多种功能，可能包括控制转位子相关任务，可能会影响病毒蛋白翻译后修饰。
有研究发现，与野生型小鼠相比，STING基因缺陷型小鼠的中枢神经系统受HSV1感染时极易引起单纯疱疹病毒性脑炎，且缺陷型小鼠极易发生HSV1静脉感染，但通过黏膜感染途径感染的缺陷型和野生型小鼠的存活率并无差异;而在黏膜HSV1感染期间，小鼠体内病毒的清除可能并不需要STING的参与，对Ⅰ型干扰素产生的影响也很小[17,18]。由于人STING基因存在较大的异质性和种族差异，因此关于STING在人体病原微生物入侵过程中的作用仍然需要进一步阐明。
2.2、 STING与非感染性炎症
心肌梗死时心肌细胞内源性物质的释放会激活cGAS-STING信号通路，诱导大量炎症细胞及炎症因子产生，加剧心肌细胞坏死，与野生型小鼠相比，缺乏cGAS、STING及IRF3等的心肌梗死小鼠早期存活率显着提高[19]。STING相关信号通路在高糖、高脂饮食诱导小鼠心血管组织炎症中也发挥了关键作用，在上述模型中，STING基因缺陷型小鼠的体重增加、心血管炎症性反应、糖耐量降低及胰岛素抵抗等得到改善，表明STING也与代谢相关的炎症性疾病有关[20]。
STING通路的激活可能是肾损伤的重要调控因素。在顺铂诱导的小鼠急性肾损中，顺铂可通过线粒体外膜小管上的Bcl-2样蛋白4诱导线粒体DNA渗漏到胞质中，随后激活cGAS-STING通路，从而引发炎症并加剧小鼠急性肾衰竭，而STING基因缺陷型小鼠这一过程得到改善，且在体外培养的肾小管细胞中，抑制STING蛋白活性可改善顺铂引起的肾小管细胞炎症反应[21]。在急性胰腺炎小鼠体内，STING相关信号通路可以感知小鼠胰腺濒死腺泡细胞的DNA，进一步促进炎症因子的产生，同时巨噬细胞通过高表达STING蛋白，加重小鼠胰腺的炎症反应[22]。
肠上皮细胞是分隔肠腔与宿主内环境的生理屏障。STING信号通路参与了肠道炎症反应和肠上皮细胞的免疫反应，通过促进肠上皮细胞凋亡和破坏肠道屏障导致致命性脓毒血症，且脓毒血症患者外周血单个核细胞中的STING蛋白的表达水平明显上升[23]。在小鼠盲肠结扎穿孔诱导的脓毒血症中，小鼠肠道STING信号通路被显着激活，而敲除STING基因小鼠肠道炎症反应减轻、肠道通透性减弱，细菌移位减少，使用黄酮类血管破坏剂5,6-二甲基氧杂蒽-4-乙酸激活小鼠的STING蛋白发现，小鼠出现了更明显的肠道细胞凋亡和更严重的全身免疫炎症反应[24]。
2.3 、STING与自身免性疾病
通常情况下，自身DNA一方面被严格限制在细胞核和线粒体内，另一方面体内的凋亡小体、细胞质基质和内体等可通过细胞DNA酶(DNase)清除自身畸变的DNA，从而避免自身炎症反应的发生，但是如果自身DNA清除障碍会造成STING相关信号通路的持续活化，该过程与自身免疫性疾病相关。有研究表明，在小鼠模型中DNase缺陷或突变与狼疮样综合征密切相关，且DNaseⅠ缺陷小鼠体内会出现未完全酶切的DNA聚集，可导致小鼠胚胎死亡，同时此类小鼠出生后会出现慢性多发性关节炎，这可能由小鼠体内未完全酶切的DNA诱发了高水平的促炎因子所导致，但敲除小鼠体内STING基因后未发现该现象[10,25]。以上研究提示，未完全酶切的DNA可被STING通路识别而诱发过度的炎症反应，从而导致小鼠胚胎死亡和慢性多发性关节炎。在HSV-1感染3'-5'核酸外切酶DNaseⅢ缺失的小鼠中，小分子环肽astin C可特异性抑制cGAS-STING信号通路及胞质DNA所诱发的炎症反应，显着降低小鼠自身免疫炎症反应[10]。此外，3'-5'核酸外切酶DNaseⅢ无法降解经紫外线照射而突变的DNA，而这类DNA却可以激活cGAS-STING通路[10]。
研究发现，干扰素刺激基因诱导活性水平与系统性红斑狼疮疾病活性相关，敲除小鼠的cGAS基因或STING基因发现干扰素刺激基因诱导活性明显降低[26]。Kemp等[27]发现，皮肤角质层细胞经紫外线照射后发生损伤产生的DNA能够抑制Unc-51样激酶1的活性，导致STING持续活化，从而发生过度的免疫炎症反应，这可能与紫外线诱发及加剧系统性红斑狼疮病情相关。Aicardi-Goutières综合征是一种罕见的可遗传的神经系统性疾病，可导致小脑畸形、智力迟钝和儿童死亡等。有研究显示，Aicardi-Goutières综合征是由参与核酸代谢的某些基因(如3'-5'核酸外切酶DNaseⅢ)突变缺失，导致核酸酶活性降低或丧失，核酸在胞浆内严重堆积，从而被STING和DNA依赖的干扰素调节因子等识别感应，促使STING-TBK1-IRF3/NF-κB等信号通路过度活化，最终导致Ⅰ型干扰素水平显着升高[28]。尽管Ⅰ型干扰素的持续产生会导致机体过度的炎症反应发生，但STING分子可以直接与干扰素诱导蛋白16相互作用，并通过E3泛素蛋白连接酶三结构域蛋白21-蛋白酶体途径促进干扰素诱导蛋白16降解，负反馈调控Ⅰ型干扰素生成，避免严重炎症反应发生[29]。
据2014年新英格兰医学期刊报道，第5号染色体的STING编码基因发生突变致STING过度活化引起STING相关婴儿期起病的血管病，以全身炎症、外周血管炎、皮肤炎和肺部表现为特征，患者表现为干扰素和干扰素诱导因子水平升高，该发现为STING相关婴儿期起病的血管病的治疗提供了一个新途径[30];后续相关研究发现，STING相关婴儿期起病的血管病患者疾病的严重性与STING基因型密切相关，如HAQ型患者发病更早、临床表现更严重[31]。
4、 结语与展望
起初STING作为一个免疫炎症因子而被大量报道，但随着研究的不断深入发现，STING可能是机体抗肿瘤免疫中重要的调节靶点之一。相关研究发现，活化的STING信号通路能抑制骨髓来源的抑制性细胞的产生，从而有效抑制肿瘤的发展，且STING的表达水平与骨髓来源的抑制性细胞数量呈负相关，高表达STING患者的临床预后更好[32]。STING激动剂5,6-二甲基氧杂蒽-4-乙酸能有效诱导小鼠体内抗肿瘤免疫应答;但也有研究发现，STING可能也促进了小鼠体内肿瘤的发生，人乳头瘤病毒导致宫颈癌中STING表达上调，可能STING并不是对所有肿瘤都发挥抑制效应[33,34,35]。总之，STING及其依赖的信号通路与临床疾病之间的复杂关系还需要不断研究。STING作为信号转导途径中的一个重要接头分子，无论其被诱导还是被抑制，都在机体抗感染、炎症反应及抗肿瘤等方面都发挥了重要作用，因此免疫接头分子STING有可能成为临床上疾病治疗的重要靶点之一。
参考文献
[1] Ishikawa H,Barber GN. STING is an endoplasmic reticulum adaptor that facilitates innate immune signalling[J]. Nature,2008,455(7213):674-678.
[2] Zhong B,Yang Y,Li S,et al. The adaptor protein MITA links virus-sensing receptors to IRF3 transcription factor activation[J].Immunity,2008,29(4):538-550.
[3] Xie L,Liu M,Fang L,et al. Molecular cloning and functional characterization of porcine stimulator of interferon genes(STING)[J].Dev Comp Immunol,2010,34(8):847-854.
[4] Burdette DL,Monroe KM,Sotelo-Troha K,et al. STING is a direct innate immune sensor of cyclic di-GMP[J]. Nature,2011,478(7370):515-518.
[5] Chow KT,Gale M Jr,Loo YM. RIG-I and other RNA sensors in antiviral immunity[J]. Annu Rev Immunol,2018,36:667-694.
[6] Wu J,Chen ZJ. Innate immune sensing and signaling of cytosolic nucleic acids[J]. Annu Rev Immunol,2014,32:461-488.
[7]陈巍，柯志意，黄卫人．STING信号通路及其功能[J]．医学综述，2017,23(14):2705-2709.
[8] Tsuchiya Y,Jounai N,Takeshita F,et al. Ligand-induced ordering of the C-terminal tail primes STING for phosphorylation by TBK1[J].EBioMedicine,2016,9:87-96.
[9] Li XD,Wu J,Gao D,et al. Pivotal roles of c GAS-cGAMP signaling in antiviral defense and immune adjuvant effects[J]. Science,2013,341(6152):1390-1394.
[10] Barber GN. STING:Infection,inflammation and cancer[J]. Nat Rev Immunol,2015,15(12):760-770.
[11] Kalamvoki M,Roizman B. HSV-1 degrades,stabilizes,requires,or is stung by STING depending on ICP0,the US3 protein kinase,and cell derivation[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2014,111(5):E611-617.
[12] Watson RO,Bell SL,Mac Duff DA,et al. The cytosolic sensor c GAS detects mycobacterium tuberculosis DNA to induce type I interferons and activate autophagy[J]. Cell Host Microbe,2015,17(6):811-819.
[13] Zhang Y,Yeruva L,Marinov A,et al. The DNA sensor,cyclic GMP-AMP synthase,is essential for induction of IFN-beta during Chlamydia trachomatis infection[J]. J Immunol,2014,193(5):2394-2404.
[14] Karimi-Googheri M,Daneshvar H,Khaleghinia M,et al. Decreased expressions of STING but not IRF3 molecules in chronic HBV infected patients[J]. Arch Iran Med,2015,18(6):351-354.
[15] Guo F,Tang L,Shu S,et al. Activation of stimulator of interferon genes in hepatocytes suppresses the replication of hepatitis B virus[J]. Antimicrob Agents Chemother,2017,61(10):e00771-17.
[16] Cai X,Chiu YH,Chen ZJ. The c GAS-cGAMP-STING pathway of cytosolic DNA sensing and signaling[J]. Mol Cell,2014,54(2):289-296.
[17] Menendez CM,Carr DJJ. Defining nervous system susceptibility during acute and latent herpes simplex virus-1 infection[J].J Neuroimmunol,2017,308:43-49.
[18] Royer DJ,Carr DJ. A STING-dependent innate-sensing pathway mediates resistance to corneal HSV-1 infection via upregulation of the antiviral effector tetherin[J]. Mucosal Immunol,2016,9(4):1065-1075.
[19] Cao DJ,Schiattarella GG,Villalobos E,et al. Cytosolic DNA sensing promotes macrophage transformation and governs myocardial ischemic injury[J]. Circulation,2018,137(24):2613-2634
[20] Lemos H,Mohamed E,Huang L,et al. Stimulator of interferon genes agonists attenuate type I diabetes progression in NOD mice[J]. Immunology,2019,158(4):353-361.
[21] Maekawa H,Inoue T,Ouchi H,et al. Mitochondrial damage causes inflammation via c GAS-STING signaling in acute kidney injury[J].Cell Rep,2019,29(5):1261-1273. e6.
[22] Zhao Q,Wei Y,Pandol SJ,et al. STING signaling promotes inflammation in experimental acute pancreatitis[J]. Gastroenterology,2018,154(6):1822-1835. e2.
[23] Hu Q,Ren H,Li G,et al. STING-mediated intestinal barrier dysfunction contributes to lethal sepsis[J]. E Bio Medicine,2019,41:497-508.
[24] Aden K,Tran F,Ito G,et al. ATG16L1 orchestrates interleukin-22signaling in the intestinal epithelium via c GAS-STING[J]. J Exp Med,2018,215(11):2868-2886.
[25] Arneth B. Systemic lupus erythematosus and DNA degradation and elimination defects[J]. Front Immunol,2019,10:1697.
[26] Li S,Hong Z,Wang Z,et al. The cyclopeptide astin C specifically inhibits the innate immune CDN sensor STING[J]. Cell Rep,2018,25(12):3405-3421. e7.
[27] Kemp MG,Lindsey-Boltz LA,Sancar A. UV light potentiates STING(stimulator of interferon genes)-dependent innate immune signaling through deregulation of ULK1(Unc51-like kinase 1)[J].J Biol Chem,2015,290(19):12184-12194.
[28] Gao D,Li T,Li XD,et al. Activation of cyclic GMP-AMP synthase by self-DNA causes autoimmune diseases[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2015,112(42):E5699-5705.
[29] Li D,Wu R,Guo W,et al. STING-Mediated IFI16 degradation negatively controls typeⅠinterferon production[J]. Cell Rep,2019,29(5):1249-1260. e4.
[30] Liu Y,Jesus AA,Marrero B,et al. Activated STING in a vascular and pulmonary syndrome[J]. N Engl J Med,2014,371(6):507-518.
[31] Konig N,Fiehn C,Wolf C,et al. Familial chilblain lupus due to a gain-of-function mutation in STING[J]. Ann Rheum Dis,2017,76(2):468-472.
[32] Liang H,Deng L,Hou Y,et al. Host STING-dependent MDSC mobilization drives extrinsic radiation resistance[J]. Nat Commun,2017,8(1):1736.
[33] Corrales L,Glickman LH,Mc Whirter SM,et al. Direct activation of STING in the tumor microenvironment leads to potent and systemic tumor regression and immunity[J]. Cell Rep,2015,11(7):1018-1030.
[34] Ahn J,Xia T,Konno H,et al. Inflammation-driven carcinogenesis is mediated through STING[J]. Nat Commun,2014,5:5166.
[35]田谱，罗煜立，王倩，等．STING及相关免疫抑制因子在宫颈癌中的表达及相关性分析[J]．免疫学杂志，2018,34(9):785-790.