張琳潔,于永生(上海大學(xué)醫(yī)學(xué)院,上海 200444)
先天免疫系統(tǒng)是人體的第一道防線,先天免疫系統(tǒng)中的模式識別受體(pattern recognition receptors,PRRs)通過對微生物病原體特定的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別啟動機(jī)體的防御系統(tǒng)[1]。環(huán)磷酸鳥苷-磷酸腺苷酸合成酶(cyclic adenosine-adenosine synthase,cGAS)作為一種胞內(nèi)模式識別受體,通過激活干擾素基因刺激因子(stimulator of interferon gene,STING)通路,激發(fā)和影響先天免疫系統(tǒng)[2]。
目前已經(jīng)證實,cGAS-STING 信號通路作為先天免疫傳感器在許多病理和生理過程的作用日益擴(kuò)大,包括防御微生物感染、抗腫瘤免疫、細(xì)胞衰老、自噬以及自身免疫等[3-4]。近年來的研究表明cGAS-STING 信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)疾病,尤其是神經(jīng)退行性疾病方面也起到了重要作用。本文就cGAS-STING 信號通路在神經(jīng)退行性疾病中的作用及其潛在治療意義進(jìn)行綜述。
cGAS 屬于核苷酸轉(zhuǎn)移酶家族成員,能夠檢測到胞質(zhì)中的雙鏈DNA(double-stranded DNA,dsDNA),Sun 等[5]首次通過生化分離和質(zhì)譜定量分析鑒定出cGAS,也證明了cGAS 是一種觸發(fā)Ⅰ型干擾素(type Ⅰ interferon,IFN-Ⅰ) 通路的胞質(zhì)DNA 傳感器。Civril 等[6]測定了豬的cGASMab21 晶體結(jié)構(gòu),證明cGAS 是由一個非結(jié)構(gòu)化N 末端延伸和一個高度保守的Mab21 核苷酸轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域組成的。同期另一項研究中,利用鼠源cGAS-DNA 結(jié)構(gòu)模型闡明了cGAS 的催化機(jī)制,當(dāng)胞質(zhì)DNA 出現(xiàn)時,就會引起cGAS 構(gòu)象改變,cGAS 的活性口袋從無活性的關(guān)閉構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谢钚缘拈_放構(gòu)象,促使cGAS-DNA 復(fù)合物形成,該復(fù)合物促進(jìn)三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)和三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP)轉(zhuǎn)化為2’3’-環(huán)鳥苷酸-腺苷酸(2’3’-cyclic GMP-AMP,cGAMP)[7]。cGAS的激活依賴于DNA 結(jié)構(gòu)[8]。當(dāng)DNA 為>45 bp的片段時,能夠有效地促進(jìn)人源cGAS 活化,而鼠源cGAS 可被短至20 bp 的DNA 激活[9]。
Ishikawa 等[10]在抗病毒免疫研究中發(fā)現(xiàn)并首次報道了STING 對固有免疫反應(yīng)至關(guān)重要。STING是主要定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的跨膜接頭蛋白,廣泛表達(dá)于多種細(xì)胞類型。cGAS 被細(xì)胞質(zhì)DNA 激活后生成的cGAMP 與STING 相互作用,誘導(dǎo)STING 轉(zhuǎn)移到高爾基體發(fā)生下游級聯(lián)反應(yīng)。STING 蛋白的羧基末端能夠激活蛋白激酶IκB(protein kinase IκB,IKK)和TANK 結(jié)合激酶1(TANK binding kinase 1,TBK1),一方面激活核因子κB(nuclear factor kappa-B,NFκB),誘導(dǎo)白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的釋放,另一方面還可啟動干擾素轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)因子3(interferon transcription factor regulator 3,IRF3)轉(zhuǎn)錄通路,誘導(dǎo)IFN 產(chǎn)生,并在表達(dá)后發(fā)揮有效的抗病毒作用[11](見圖1)。
圖1 cGAS-STING 信號通路機(jī)制圖Fig 1 Mechanism of cGAS-STING signaling pathway
對STING 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),跨膜連接器環(huán)中的一些殘基是產(chǎn)生IFN-Ⅰ所必需的,這表明了跨膜結(jié)構(gòu)域在STING 的激活中能夠起到一定的作用[12]。STING 在與cGAMP 結(jié)合后會關(guān)閉其二聚體角,相對于跨膜結(jié)構(gòu)域扭曲180°,然后釋放C 端尾巴密碼子(C-terminaltail,CTT),并形成穩(wěn)定的聚合物。通過X 射線晶體證明,CTT 可以直接與IRF3 結(jié)合,參與STING的配體結(jié)合和磷酸化的過程,磷酸化后的STING能夠募集IRF3。
cGAS-STING 信號通路的激活因素包括外源性因素和內(nèi)源性因素。cGAS 可以對來自病毒、細(xì)菌的外源DNA 作出反應(yīng),啟動先天免疫系統(tǒng),起到防止感染的作用。例如,Ⅰ型單純皰疹病毒(herpes simplex virus 1,HSV-1)能在野生型小鼠肺成纖維細(xì)胞和小鼠骨髓來源的巨噬細(xì)胞(bone marrow derived macrophages,BMDMs)中誘導(dǎo)產(chǎn)生IFN-β,在體內(nèi)實驗中,HSV-1 對STING-/-小鼠有致命的感染性[13],因此在實驗中HSV-1 經(jīng)常作為激活劑用于激活cGAS-STING 信號通路。某些含有dsDNA 的細(xì)菌也可以激活cGAS-STING 信號通路,如淋病奈瑟球菌(Neisseria gonorrhoeae)先由Toll 樣受體-4(Toll-like receptors 4,TLR4)誘導(dǎo)產(chǎn)生IFN,進(jìn)入BMDMs 胞質(zhì)后再激活cGAS,并產(chǎn)生IFN 反應(yīng)[14];單核細(xì)胞性李斯特菌(Listeria monocytogenes)可激活cGAS,引起人類骨髓細(xì)胞中的IFN 表達(dá),此研究也證明了李斯特菌中的環(huán)二核苷酸(cyclic dinucleotides,CDN)可以直接觸發(fā)STING 而不依賴于cGAS[15]。
cGAS-STING 信號通路激活的內(nèi)源性原因包括自身DNA 的清除缺陷和線粒體應(yīng)激。3’-核酸修復(fù)外切酶1(three prime repair exonuclease 1,TREX1),是胞質(zhì)中主要的3’-5’限制性核酸外切酶,TREX1 表達(dá)的核酸酶活性對于維持先天免疫系統(tǒng)識別自身DNA 的免疫耐受發(fā)揮重要作用,人源TREX1基因的突變會引起一系列自身免疫性疾病的發(fā)生[16]。當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中來源于細(xì)胞核泄漏或病原體的DNA 沒有及時被TREX1 清除就會使cGAS-STING 信號通路激活[16]。由于線粒體是氧化呼吸的場所,線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)很容易受到呼吸過程中由電子傳遞鏈產(chǎn)生的活性氧造成的損傷,所以線粒體通過相應(yīng)的自噬機(jī)制來清除受損線粒體[17]。異常的線粒體自噬會導(dǎo)致胞質(zhì)DNA 的積累,mtDNA 釋放到細(xì)胞質(zhì)從而激活cGAS-STING 信號通路[9]。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(transcription factor A mitochondrial,TFAM)是mtDNA 結(jié)合蛋白,能控制mtDNA 的分離、豐度和類核苷酸結(jié)構(gòu)[9]。TFAM 缺乏會使線粒體基因組紊亂和線粒體應(yīng)激,導(dǎo)致mtDNA 逃逸到細(xì)胞質(zhì)中,從而通過cGAS-STING 信號通路誘導(dǎo)干擾素刺激基因(interferon-stimulated genes,ISGs)表達(dá)和IFN 的產(chǎn)生[18]。關(guān)于mtDNA 泄漏到胞質(zhì)中的原因,目前認(rèn)為可能是B 淋巴細(xì)胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,BCL-2)基因相關(guān)蛋白(BCL-2 associated X protein,BAX)誘導(dǎo)線粒體外膜上的孔洞形成,增加線粒體內(nèi)膜的通透性,從而導(dǎo)致線粒體大分子(包括mtDNA)逃逸[19]。
cGAS-STING 信號通路同時也受到負(fù)性調(diào)節(jié),當(dāng)病原微生物感染導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡通路被活化時,可以激活多個凋亡效應(yīng)蛋白酶?;罨牡蛲龅鞍酌盖懈疃鄺l天然免疫通路中的關(guān)鍵蛋白(cGAS、IRF3)以及線粒體抗病毒信號蛋白(mitochondrial antiviral-signaling protein,MAVS),并使這些蛋白完全失活,避免細(xì)胞因子的過度產(chǎn)生[20]。提示天然免疫穩(wěn)態(tài)的維持存在互相制約的精密調(diào)節(jié)。
在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中,小膠質(zhì)細(xì)胞作為最主要的中樞固有免疫細(xì)胞,其功能和狀態(tài)與腦內(nèi)炎癥水平密切相關(guān),而星形膠質(zhì)細(xì)胞可以對炎癥信號作出反應(yīng)并促進(jìn)炎癥,參與調(diào)控生理狀態(tài)和病理狀態(tài)下神經(jīng)系統(tǒng)的多個生命進(jìn)程[21]。小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞都表達(dá)cGAS,通過識別DNA 介導(dǎo)IFN 表達(dá)[22-23]。其中,小膠質(zhì)細(xì)胞是激活cGAS-STING信號通路的主要細(xì)胞類型。小膠質(zhì)細(xì)胞受到來自病毒或受損mtDNA 的激活,啟動cGAS-STING信號通路,分泌IFN,作用于神經(jīng)元上的干擾素A 受體(interferon A receptor,IFNARs),引發(fā)神經(jīng)元抗病毒防御機(jī)制(見圖2)。與此同時,星形膠質(zhì)細(xì)胞也被啟動,以緩解炎癥。然而這一通路的過度激活卻會導(dǎo)致神經(jīng)炎癥。
圖2 小膠質(zhì)細(xì)胞中的cGAS-STING 信號通路激活Fig 2 Activation of cGAS-STING signaling pathway in the microglia
雖然cGAS-STING 信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用近年來才逐漸被揭示,但作為治療神經(jīng)退行性疾病的新靶點,其作用和未來前景不容忽視。本文將對常見的神經(jīng)退行性疾病中cGAS-STING信號通路的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。
核酸的識別在防御中樞神經(jīng)系統(tǒng)病原體中發(fā)揮著重要作用,但先天免疫機(jī)制的觸發(fā)也是主要神經(jīng)退行性疾病的一個重要致病因素。毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)綜合征(ataxia telangiectasia,A-T)是一種由于缺乏DNA 損傷修復(fù)過程中的ATM(ataxia telangiectasia-mutated)激酶而引起的常染色體隱性遺傳病,臨床表現(xiàn)較為廣泛,主要有意向性震顫、眼皮膚毛細(xì)血管發(fā)育不全、協(xié)調(diào)功能障礙和平衡障礙等。A-T 患者的細(xì)胞表現(xiàn)出放射敏感性,基因組不穩(wěn)定性增加,伴有端粒磨損加劇、線粒體功能障礙和早衰[24]。Song 等[25]認(rèn)為在A-T 中,DNA修復(fù)機(jī)制的缺乏導(dǎo)致ss/dsDNA 在胞質(zhì)積累,并被先天免疫系統(tǒng)識別,通過STING 來誘導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo),引起小膠質(zhì)細(xì)胞激活和神經(jīng)毒性細(xì)胞因子的分泌。這種新型炎癥級聯(lián)可能是一種廣泛適用于多種疾病的神經(jīng)炎癥誘導(dǎo)機(jī)制。Aguado 等[24]的研究中,使用人類的類腦器官精確地模擬了A-T 的神經(jīng)損害表型,發(fā)現(xiàn)使用STING 抑制劑H-151,可有效地抑制自身DNA 誘導(dǎo)的衰老相關(guān)分泌表型(senescence-associated secretory phenotype,SASP)激活,并恢復(fù)了A-T 類腦器官的神經(jīng)病理學(xué)特征[24],既驗證了抑制cGAS-STING 信號通路可以作為A-T 神經(jīng)病理學(xué)的有效治療靶點,又表明STING 抑制劑可能用于其他與早衰和自身DNA 誘導(dǎo)的SASP 激活相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
AD 是一種表現(xiàn)為進(jìn)行性認(rèn)知衰退和記憶喪失的神經(jīng)退行性疾病[26]。AD 的典型病理特征是細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)的積累導(dǎo)致的神經(jīng)纖維纏結(jié)[27]。而Aβ源于β淀粉樣前體蛋白(β-amyloid precursor protein,APP)的裂解以及高磷酸化微管相關(guān)蛋白Tau(microtubuleassociated protein tau,MAPT)的細(xì)胞內(nèi)沉積[28]。淀粉樣蛋白級聯(lián)假說受到廣泛認(rèn)可,該假說認(rèn)為Aβ累積是導(dǎo)致神經(jīng)元損傷級聯(lián)效應(yīng)的主要原因[29]。然而,越來越多的證據(jù)表明,單靠淀粉樣蛋白級聯(lián)不能解釋AD 的其他發(fā)病機(jī)制和病理過程,有人提出,大腦中的炎癥和免疫反應(yīng)可能加速AD 疾病進(jìn)展并成為發(fā)病的基礎(chǔ),而腦內(nèi)固有的小膠質(zhì)細(xì)胞是參與神經(jīng)元和突觸損傷的關(guān)鍵因素[30]。
作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的常駐吞噬細(xì)胞,小膠質(zhì)細(xì)胞主要通過釋放降解酶對Aβ進(jìn)行降解[31]。據(jù)研究表明,長期持續(xù)的Aβ識別和降解導(dǎo)致的先天性免疫激活會引發(fā)神經(jīng)炎癥,從而導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變的進(jìn)一步發(fā)展[32]。炎癥是細(xì)胞衰老的標(biāo)志之一,并且已在AD 小鼠模型的大腦中觀察到SASP 與神經(jīng)炎癥高度相關(guān)[33]。有證據(jù)表明,AD 過程中小膠質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)神經(jīng)退行性表型(microglial neurodegenerative phenotype,MGnD),MGnD 表型下的小膠質(zhì)細(xì)胞失去傳感功能[34],星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞都呈現(xiàn)吞噬功能障礙、脂質(zhì)代謝異常等衰老表現(xiàn)[33,35]。髓系細(xì)胞觸發(fā)受體2(triggering receptor expressed on myloid cell,TREM2)是一種感受Aβ積累和神經(jīng)元損傷的受體,能夠誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞從M1 表型極化為M2 表型[36],促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞清除Aβ積累,從而減少神經(jīng)炎癥。Xu 等[37]系統(tǒng)研究了cGAMP 激活后,通過刺激STING 依賴性免疫從而誘導(dǎo)TREM2 上調(diào),TREM2 表達(dá)在蛋白質(zhì)和mRNA 水平上誘導(dǎo)增強(qiáng)了BV2 小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞體外和原代小膠質(zhì)細(xì)胞體外對Aβ的吞噬效率,減少了Aβ斑塊和神經(jīng)元死亡。也就是說,cGAMP的治療可以在TREM2 依賴機(jī)制中增加M2 表型與M1 表型的比率,改善AD 小鼠模型中的神經(jīng)炎癥。因此,在AD 背景下,增強(qiáng)天然免疫可以減緩神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)程,表明cGAMP 在AD 免疫治療中有巨大的應(yīng)用潛力。值得注意的是,雖然在此研究中,cGAMP 處理后明顯上調(diào)了STING 和IRF3 的表達(dá),證明了AD 小鼠大腦存在cGAMP-STING-IRF3 信號通路的激活,但cGAMP 激活后,增強(qiáng)了BV2 小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞體外對Aβ的吞噬效率,這一現(xiàn)象并不能證明是由cGAMP 依賴于STING 而實現(xiàn)的。
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+) 是AD 神經(jīng)元中DNA 修復(fù)和線粒體自噬等多個過程的關(guān)鍵,在細(xì)胞代謝中起著核心作用[38]。許多神經(jīng)退行性疾病(包括AD)的相關(guān)組織中NAD+水平較低,研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充NAD+前體煙酰胺核糖(NAD+precursor nicotinamide riboside,NR)可有效增加NAD+,并對小鼠模型中的許多AD 特征產(chǎn)生有益影響[39]。以往的研究證實AD 存在線粒體自噬現(xiàn)象,自噬過程中釋放到胞漿中的DNA 導(dǎo)致cGASSTING 信號通路異常激活[40]。Hou 等[41]將cGASSTING 信號通路與AD 聯(lián)系起來,發(fā)現(xiàn)在APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠模型中,補(bǔ)充NR 可使線粒體自噬過程中釋放到胞質(zhì)中的DNA 減少,從而減少cGAS-STING 信號通路感知DNA 后的激活;進(jìn)一步的研究也證明了NR 通過抑制cGAS-STING 信號通路降低AD 小鼠大腦的神經(jīng)炎癥和細(xì)胞衰老,改善AD 小鼠的學(xué)習(xí)記憶和突觸可塑性。
PD 是一種常見的神經(jīng)退行性疾病,臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強(qiáng)直、運動功能減退和步態(tài)異常。其致病原因有環(huán)境因素和遺傳因素等,PINK1或Parkin基因的突變會導(dǎo)致家族性帕金森病,由PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬缺陷引起的受損線粒體積累可能促進(jìn)PD 的發(fā)生[42]。炎癥被認(rèn)為是PD 病理的關(guān)鍵驅(qū)動因素[43],Sliter 等[44]研究發(fā)現(xiàn)Parkin和PINK1可以減緩STING 誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng),由耗竭性運動(exhaustive exercise,EE)或mtDNA 突變誘導(dǎo)的線粒體應(yīng)激引起的炎癥可以通過STING 的敲除而得以抑制,還證明了STING 的缺失可阻止積累突變mtDNA 的小鼠的炎癥、運動缺陷和神經(jīng)衰退的發(fā)生。對72 名PD 患者和58 名健康對照者的全基因組數(shù)據(jù)集的meta 分析顯示,PD 患者黑質(zhì)區(qū)中STING 水平較高,支持了cGAS-STING 信號通路可能與PD 發(fā)病機(jī)制有關(guān)的結(jié)論[45]。近期研究顯示,STING 蛋白在含有錯誤折疊α-突觸核蛋白(α-synuclein)的小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá),而cGAS-STING 信號通路介導(dǎo)的一系列炎癥反應(yīng)會誘發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞破壞更多的多巴胺神經(jīng)元,表明cGAS-STING 信號通路或許能作為特發(fā)性帕金森病或其他人類α-突觸核蛋白疾病的潛在藥物靶點[46]。
約4%的家族性ALS 患者中存在TDP-43突變[47],TDP-43在細(xì)胞質(zhì)中的累積是ALS 的重要標(biāo)志之一,這一特征與ALS 患者的神經(jīng)炎癥性細(xì)胞因子表征相關(guān)聯(lián),主要表現(xiàn)為NF-κB 和IFN-Ⅰ通路水平的升高[48-49]。最新研究中,Yu 等[50]通過對iPSC 分化的運動神經(jīng)細(xì)胞及ALS 患者樣品進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn),TDP-43 通過在線粒體的累積,誘導(dǎo)mtDNA 向細(xì)胞質(zhì)釋放后激活cGAS-STING 信號通路,引起NF-κB 通路激活和IFN-Ⅰ水平升高。相反,使用STING 抑制劑H-151 處理可以減輕炎癥并改善神經(jīng)退行性癥狀,而且敲除cGAS和STING 能夠完全阻斷由TDP-43基因Q331K 點突變誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因ALS 模型的炎性因子表達(dá),cGAS抑制劑RU.521 也能夠達(dá)到類似效果。進(jìn)一步對TDP-43A315T 點突變的ALS 模型小鼠進(jìn)行分析,該模型小鼠腦內(nèi)、脊髓及血清的cGAMP 水平均高于對照小鼠,敲除STING 后小鼠的運動功能也顯著性改善[50]。這些結(jié)果為TDP-43突變誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥提供了完整的機(jī)制闡述,為使用SITNG 抑制劑對ALS 患者進(jìn)行干預(yù)提供了理論和實驗基礎(chǔ)。
C 型尼曼-皮克病是一種罕見的神經(jīng)退行性疾病,長期以來被認(rèn)為是一種膽固醇代謝和分布的疾病。然而近期研究發(fā)現(xiàn),C 型尼曼-皮克病與STING 相關(guān),Chu 等[51]通過定量蛋白質(zhì)組學(xué),確定了溶酶體膜蛋白尼曼-皮克型C1(NPC1)作為STING 轉(zhuǎn)運的輔助因子,NPC1 蛋白的丟失通過阻斷溶酶體降解“促進(jìn)”STING 信號傳遞。在Npc1-/-小鼠小腦中,STING基因缺失顯著降低了小膠質(zhì)細(xì)胞的激活,并減輕了浦肯野神經(jīng)元的缺失,從而改善了運動功能。這一研究或許能夠為C 型尼曼-皮克病患者提供一種有效的治療靶點。
HD 是一種常染色體顯性的神經(jīng)退行性疾病,由Huntingtin基因中多谷氨酰胺(polyglutamine,PolyQ)編碼的CAG 重復(fù)序列的擴(kuò)展引起[52]。該疾病嚴(yán)重影響大腦紋狀體,導(dǎo)致肌肉萎縮、運動和認(rèn)知障礙、精神障礙和神經(jīng)變性[53]。突變Huntingtin基因(mutant huntingtin,mHtt) 聚集并引起廣泛損傷,影響轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA 修復(fù)和核胞質(zhì)轉(zhuǎn)運等細(xì)胞過程[54]。全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies,GWASs)顯示,DNA 氧化損傷、DNA 修復(fù)和線粒體功能的相關(guān)通路與疾病的發(fā)病年齡相關(guān)[55]。HD 病理過程中的細(xì)胞質(zhì)DNA 和炎癥反應(yīng)已經(jīng)被報道,有證據(jù)表明在HD 患者死后紋狀體中cGAS-STING-IRF3 信號通路被激活[56]。當(dāng)cGAS 活性增強(qiáng),炎癥相關(guān)基因和自噬蛋白表達(dá)增加,cGAS 的缺失可降低HD 紋狀體細(xì)胞的炎癥和自噬反應(yīng),提示cGAS 可促進(jìn)HD 的炎癥反應(yīng),可能是HD 的治療靶點[57]。近期研究發(fā)現(xiàn)的STING 穩(wěn)態(tài)維持蛋白TOLLIP 能夠在無病原菌感染狀態(tài)下維持STING 蛋白的穩(wěn)定,TOLLIP 敲低或者敲除可顯著降低STING 的表達(dá),從而抑制了DNA 刺激引起的cGAS-STING信號通路激活[58]。相關(guān)研究表明PolyQ 富集蛋白的積累與HD 的發(fā)生密切相關(guān)[59],當(dāng)細(xì)胞過表達(dá)HTTq74(PolyQ 富集蛋白)后,它能夠競爭性與TOLLIP 相互作用,從而抑制TOLLIP-STING 相互作用,導(dǎo)致STING 被溶酶體降解。在HD 小鼠疾病模型中(zQ175),中腦皮層中有大量PolyQ蛋白聚集,同時也發(fā)現(xiàn)STING 蛋白在大腦中也被顯著降解[58],STING 蛋白的穩(wěn)定在HD 發(fā)生中的功能或許具有研究價值。
MS 是一種以脫髓鞘為特征的神經(jīng)退行性疾病,免疫系統(tǒng)攻擊神經(jīng)纖維的保護(hù)鞘髓磷脂,導(dǎo)致炎癥和神經(jīng)損傷[60]。MS 的病理特征是炎癥伴脫髓鞘、星形膠質(zhì)細(xì)胞增生和神經(jīng)退行性改變。該疾病可進(jìn)展到繼發(fā)性進(jìn)行性多發(fā)性硬化(secondary progressive multiple sclerosis,SPMS)階段,其特征為持續(xù)的、不可逆的神經(jīng)功能衰退、腦容量減少和軸突丟失,小部分患者為原發(fā)性進(jìn)行性多發(fā)性硬化(primary progressive multiple sclerosis,PPMS)[61]。免疫調(diào)節(jié)療法如IFN 和利妥昔單抗可預(yù)防或延緩MS 的進(jìn)展[62]。Mathur等[60]研究發(fā)現(xiàn)抗病毒藥物更昔洛韋可通過激活cGAS-STING 信號通路誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生IFN反應(yīng),抑制炎癥,在MS 模型中起到保護(hù)作用。Johnson 等[63]使用微粒包裹的cGAMP 治療實驗性變態(tài)反應(yīng)性腦脊髓炎(experimentally allergic encephalomyelitis,EAE)小鼠模型,cGAMP 表現(xiàn)出IFN 依賴性免疫抑制作用,促進(jìn)了MS 患者外周單核血細(xì)胞中的IFN 以及免疫調(diào)節(jié)因子IL-27和IL-10,這項研究揭示了cGAMP 的免疫調(diào)節(jié)作用,表明STING 激動劑可能是一種治療MS 的新方法。
對于大多數(shù)發(fā)展過程中涉及神經(jīng)炎癥水平升高和促炎細(xì)胞因子增多的神經(jīng)退行性疾病,抑制cGAS-STING 信號通路或許可以作為一種干預(yù)手段。
cGAS 作為cGAS-STING 信號通路的啟動因子,抑制其活性可以阻止下游通路激活,可能對神經(jīng)退行性疾病的治療起到一定作用。相關(guān)抑制劑阻止cGAS 激活的方式主要是結(jié)合cGAS 的活性位點,與ATP 或GTP 底物或產(chǎn)物cGAMP競爭,或是干擾DNA 與cGAS 結(jié)合,從而干擾cGAS 的初始激活步驟。
An 等[64]篩選了一系列抗瘧藥物,如羥氯喹(hydroxychloroquine,HCQ) 和阿奎平(quinacrine),這些藥物通過插入cGAS-dsDNA 的結(jié)合凹槽,選擇性阻斷cGAS-dsDNA 相互作用,抑制IFN-β的產(chǎn)生;基于以上研究,該團(tuán)隊繼續(xù)合成了第二代分子X6,其在體外和體內(nèi)活性都有改善,具有更好的溶解性和口服利用度。實驗證明,X6 可使Trex1-/-小鼠心肌細(xì)胞中cGAMP 產(chǎn)生明顯減少[65]。其他具有相似作用機(jī)制的化合物,如Suramin[66]和A151[67],同樣作為競爭性的cGAS 抑制劑,通過與dsDNA 結(jié)合域相互作用干擾cGAS-DNA 結(jié)合物產(chǎn)生。Vincent 等[68]通過對12 萬個化合物進(jìn)行高通量篩選,最終發(fā)現(xiàn)化合物RU.365 和RU.521 可以占據(jù)cGAS 的活性位點,降低cGAS 對底物ATP 和GTP 的親和力。同時實驗證明,RU.521 可以降低Trex1-/-小鼠BMDMs 中Ifnb1mRNA 的表達(dá)水平。盡管PF-06928125 在生化檢測中顯示可以與cGAS結(jié)合,但在細(xì)胞檢測中抑制活性較低,可能與細(xì)胞內(nèi)ATP 和GTP 水平較高有關(guān)。靶向cGAS 的cGASSTING 信號通路抑制劑總結(jié)見表1。
表1 靶向cGAS 的抑制劑Tab 1 Inhibitors targeting cGAS
Mukai 等[72]發(fā)現(xiàn)STING 蛋白N 段半胱氨酸88/91 位(Cys88/91)的棕櫚?;瘜Ω郀柣w上STING 多聚體的形成發(fā)揮了關(guān)鍵作用,因此,控制棕櫚?;赡苁钦{(diào)控STING 活性的一種方法。通過基于細(xì)胞的化學(xué)篩選,Haag 等[73]鑒定了兩種硝基呋喃衍生物(C-178、C-176),它們能與STING 蛋白Cys91 之間形成共價鍵,抑制STING 蛋白的棕櫚?;?,從而阻止STING 蛋白組裝成多聚體,阻斷下游信號傳導(dǎo)。該團(tuán)隊又通過其他篩選方式得到了化合物H-151,其作用機(jī)制與C-178 相同,可顯著降低Trex1-/-小鼠的全身炎癥反應(yīng)[73]。在另一項研究中,Hansen 等[74]發(fā)現(xiàn)硝基脂肪酸(NO2-FAs)可以抑制cGAS-STING信號通路,NO2-FAs 是通過在病毒感染過程中向不飽和脂肪酸中加入二氧化氮(NO2)而產(chǎn)生的內(nèi)源性物質(zhì),可以共價修飾STING 蛋白的Cys88和Cys91,抑制棕櫚酰化,導(dǎo)致通路失活。此外,NO2-FAs 還能有效減少自免疫疾病患者成纖維細(xì)胞中IFN 的生成。
除此之外有一些作用于其他位點的化合物也被證明對cGAS-STING 信號通路有抑制作用。Li 等[75]從藥用植物Aster tataricus中發(fā)現(xiàn)了環(huán)肽Astin C,Astin C 與STING 的C 端激活口袋和2’3’-cGAMP 競爭,特異性結(jié)合到STING 的C 端激活位點從而抑制IRF3 募集。正是由于上述機(jī)制,Astin C 使Trex1-/-小鼠的IFN 水平明顯降低。Siu等[76]通過自動配體識別系統(tǒng)識別了另一種抑制劑Compound 18。Compound 18 與2’3’-cGAMP 結(jié)合位點結(jié)合,抑制2’3’-cGAMP 誘導(dǎo)的IFN-β分泌。
以STING 蛋白為靶點的cGAS-STING 信號通路抑制劑總結(jié)見表2。
表2 靶向STING 蛋白的抑制劑Tab 2 Inhibitors targeting STING proteins
通過對cGAS-STING 信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用機(jī)制研究,可以更好地理解該通路在神經(jīng)退行性疾病中的重要作用。cGAS-STING 信號通路作為潛在的分子靶標(biāo),為相應(yīng)疾病的藥物研發(fā)提供新策略。大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病都伴有高水平的神經(jīng)炎癥,抑制cGAS-STING 信號通路為其治療提供了新途徑。例如在PD 和A-T 的病理過程中,由于DNA 修復(fù)機(jī)制缺陷等原因?qū)е碌男∧z質(zhì)細(xì)胞激活,誘導(dǎo)產(chǎn)生神經(jīng)炎癥,可以使用STING 抑制劑阻斷cGAS-STING 信號通路,改善炎癥信號,有望減輕神經(jīng)細(xì)胞的損傷,從而改善神經(jīng)退行性癥狀,恢復(fù)患者運動能力。而對于MS 和AD,尤其是在AD 的早期,神經(jīng)炎癥主要表現(xiàn)為對神經(jīng)產(chǎn)生損傷,考慮到cGAMP 表現(xiàn)出IFN 依賴性免疫抑制作用可以減輕神經(jīng)炎癥,在未來研究中,或許可以借助cGAMP 等STING 激動劑來增強(qiáng)天然免疫這一思路,同時結(jié)合臨床試驗和已知治療手段,明確cGAS-STING 信號通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的具體作用,為藥物開發(fā)及臨床治療策略的制訂奠定基礎(chǔ)。