cGAS/STlNG 通路在代谢性炎症中的作用研究进展

张学英，黄 溪，吴斐华

（中国药科大学中药学院中药药理与中医药学系，江苏 南京 211198）

长期食用高热量食物或缺乏体育锻炼等不良生活方式使肥胖、2 型糖尿病、动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）和非酒精性脂肪肝病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）等代谢性疾病的患病率居高不下。代谢性疾病的发病机制和治疗方案一直是研究的热点方向。Hotamisligil 等［1］最先将炎症与代谢联系起来，将人体内营养物质过量及其代谢物过量导致的慢性低度炎症称为“代谢性炎症”。在代谢性疾病中，代谢性炎症和胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）关系密切，抑制代谢性炎症是治疗代谢性疾病的有效方案。

环磷酸鸟苷-磷酸腺苷合成酶（cyclic GMPAMP synthase，cGAS）被认为是哺乳动物细胞中重要的胞质DNA感受器，它能结合双链DNA（double strands DNA，dsDNA）激活干扰素基因刺激因子（stimulator of interferon genes，STING），诱导Ⅰ型干扰素（type 1 interferon，IFN-Ⅰ）和其他炎症因子的表达［2］。研究表明，cGAS除识别来源于病毒和细菌的dsDNA，还可识别自身细胞的dsDNA。cGAS可识别抗原提呈细胞或肿瘤细胞胞质来源的dsDNA触发抗肿瘤免疫反应，识别细胞核来源的dsDNA触发心力衰竭、衰老和自身免疫性疾病等［3］。近期研究表明，cGAS/STING 通路参与代谢性疾病的发生与发展，cGAS识别自身线粒体来源的dsDNA触发代谢性炎症［4］。本文重点综述cGAS/STING 通路与代谢性炎症之间的联系，及其在肥胖、NAFLD、糖尿病心肌病（diabetic cardiomy opathy，DCM）、糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）和AS 中的调节作用，以期为代谢性疾病的治疗提供新思路。

1 cGAS/STlNG通路与代谢性炎症的关系

1.1 代谢性炎症

代谢性炎症是指在机体代谢紊乱情况下发生的慢性、低度、无菌性炎症，与肥胖、2 型糖尿病、AS和NAFLD 等代谢性疾病有密切联系［5-7］。IR 是代谢性疾病共同的病理基础，炎症信号通路的激活可调控胰岛素信号通路，产生的代谢性炎症会加重IR。例如，Jun N 端激酶和IκB 激酶β 等可阻断并减弱下游胰岛素信号；白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）、肿瘤坏死因子α 和IL-1β 等可促进更多的炎性介质释放诱导IR［8］；Toll 样受体4 信号激活和内质网应激等可降低高脂饮食（high-fat diet，HFD）小鼠的胰岛素敏感性［9-10］。IR 会导致营养物质代谢稳态发生变化，也可诱导代谢性炎症发生，如敲除哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）C2 建立的IR 小鼠模型，脂肪细胞产生IR，单核细胞趋化蛋白1分泌增加，诱导巨噬细胞向M1型转变，进而诱发炎症反应［11］。

此外，线粒体在产生代谢性炎症过程中也十分关键。线粒体除通过产生ATP 调节能量稳态外，也释放细胞信号以响应环境和生理的变化［12］。当细胞内营养物质过剩时，线粒体为适应代谢需求会产生大量活性氧，由于线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）缺乏组蛋白保护，极易被活性氧氧化，线粒体中缺乏相应的DNA 修复机制，氧化受损的mtDNA 极易泄漏到线粒体外部［13］。线粒体外部mtDNA 作为一种损伤相关分子模式激活Toll 样受体9、核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体和cGAS 等多种模式识别受体，在代谢性炎症产生中充当重要角色［14］。与细胞核内DNA 相比，mtDNA 更能抵抗核酸酶降解，在血液循环中稳定存在，是监测IR 和代谢性炎症的潜在生物标志物［15］。血浆中mtDNA通常由机体受损或感染部位释放，通过血液循环输送到全身，参与疾病如AS、急性心肌梗死和心衰等心血管疾病的发生发展［16］。研究发现，2型糖尿病患者骨骼肌中存在大量受损mtDNA，血浆中mtDNA 水平也显著升高，并伴有全身性炎症，与IR程度正相关［17］。因此，在代谢应激条件下，有效控制mtDNA泄漏是抑制代谢性炎症的关键。

1.2 cGAS/STlNG 信号通路

mtDNA 是一种可进行自我复制的dsDNA，主要呈环状或线性分子形式存在于线粒体内。线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）是mtDNA 转录和复制所必需的蛋白质。Yan等［18］报道，TFAM 缺乏可促进线粒体应激，导致mtDNA 包装异常，从而被释放到胞浆中，随后触发cGAS/STING 通路。在心血管疾病和代谢性疾病中，由于线粒体应激TFAM 水平降低，大量mtDNA释放 激 活cGAS-STING 途 径 而 使 病 情 加 重［19］。Mcarthur等［20］报道，发生细胞凋亡时，mtDNA从线粒体外层膜上形成的Bak/Bax孔挤出到胞浆。Riley等［21］报道，在非凋亡细胞中，mtDNA片段通过电压依赖性阴离子通道寡聚物形成线粒体外膜孔释放。目前，mtDNA 错误包装及泄漏机制受到研究者重视，但mtDNA异位对细胞内信号通路的影响还需进一步研究。

cGAS 是位于细胞质中的dsDNA 感受器，当mtDNA 从线粒体中泄漏到细胞质时，cGAS 可与mtDNA 结合发生构象改变，使ATP 和GTP 转化为环磷酸鸟苷-磷酸腺苷（cyclicGMP-AMP，cGAMP）。cGAMP 作为第二信使与STING 分子发生相互作用，一方面促进STING 从内质网膜传输到高尔基体招募并激活TANK 结合激酶1（TANK binding kinase-1，TBK1），TBK1使干扰素调节因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）磷酸化，活化的IRF3 形成二聚体后进入细胞核，诱导IFN-Ⅰ转录［2］。另一方面，cGAMP 与STING 结合，激活IκB激酶通路，从而增加NF-κB 磷酸化和活化，NF-κB诱导其他细胞因子发生转录，产生更多炎症因子［22］。人类蛋白质图谱分析显示，cGAS 不仅在大多数免疫相关组织/器官（如脾、淋巴结、扁桃体和胸腺）中高表达，还在许多非免疫相关组织/器官中表达［23-26］。大量研究发现，cGAS/STING 信号通路在肥胖、NAFLD、DCM、DN 和AS 等代谢性疾病中均具有潜在调节作用。综上所述，cGAS/STING 信号通路激活可引起代谢性炎症，且与其对mtDNA感知关系密切（图1）。

图1 cGAS-STlNG 通路与代谢性炎症的关系. cGAS：环磷酸鸟苷-磷酸腺苷合成酶；STING：干扰素基因刺激因子；HFD：高脂饮食；MCD：蛋氨酸和胆碱缺乏；ROS：活性氧；IFN-Ⅰ：Ⅰ型干扰素；TBK1：TANK 结合激酶1；IRF3：干扰素调节因子3；mtDNA：线粒体DNA；IKK：IκB激酶.

2 cGAS/STlNG 信号通路与代谢性疾病的关系

2.1 cGAS/STlNG信号通路与肥胖

肥胖是由过量能量摄入和（或）低效能量消耗引起的。肥胖会引发肝、肌肉和脂肪等胰岛素靶组织慢性低度炎症，导致细胞因子和趋化因子过度生成和分泌，触发IR［27］。当皮下储存白色脂肪组织达上限后，热量超载会导致脂肪异位存储，如在肝、骨骼肌和心等组织器官中积累，继而产生代谢性炎症，诱导相关代谢性疾病的发生，该事件通常定义为“脂毒性”［28］。虽大量研究表明，炎症在肥胖引起的IR 和各种代谢性疾病中起重要作用，但肥胖引起炎症的确切机制仍不清楚。

Bai 等［29］报道，肥胖诱导脂肪组织中mtDNA 释放，激活cGAS/STING 通路，位于线粒体基质的二硫键A 氧化还原酶样蛋白（disulfide-bond-A oxidoreductase-like protein，DsbA-L）的特异性消融会导致线粒体功能障碍和mtDNA 释放增加，触发cGAS/STING 通路，增强慢性无菌炎症反应，加重肥胖诱导的IR。Bai 等［30］后续研究报道，脂肪特异性过表达DsbA-L 或敲除STING可保护小鼠免于HFD 诱导的肥胖。在机制上，激活脂肪细胞中cGAS/STING 通路可激活磷酸二酯酶，下调cAMP水平，减弱蛋白激酶A 信号，从而减少脂肪产热；抑制cGAS/STING 通路，增加产热，促进能量消耗，治疗小鼠肥胖。Yan等［31］研究表明，IRF3是脂肪细胞中产热基因表达抑制因子。Kissig 等［32］报道，棕色脂肪细胞中IFN-Ⅰ信号异位激活导致严重的线粒体功能障碍和产热能力降低。这些结果提示，脂肪组织中cGAS/STING 通路负性调节产热和能量消耗。因此，靶向脂肪cGAS/STING 通路可能是对抗过度营养诱导的肥胖及其相关代谢性疾病的一种潜在治疗策略。

2.2 cGAS/STlNG 信号通路与肝疾病

NAFLD 是指非酒精及其他明确的因素引起过多脂肪在肝细胞中积累的临床病理综合征，包括单纯性脂肪肝，以及由其演变的非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）及潜在的肝硬化和肝细胞癌［33］。NAFLD 所驱动的血脂异常、炎症反应和IR 等机制除影响慢性肝病进展外，还参与AS和糖尿病病理过程［34］。

Luo 等［24］报道，cGAS，STING 和IRF3 表达水平在NAFLD 或NASH 小鼠肝中升高，且脂毒性物质在肝中过度积累时，会作为刺激物引起内质网应激。STING 是内质网膜上普遍表达的跨膜蛋白，可被内质网应激激活，促进肝炎症和纤维化的发生和进展。此外，Wang 等［35］研究报道，NAFLD 患者肝脏中具有高水平的STING 表达，主要在巨噬细胞中表达，且随炎症程度和纤维化程度加重而增加。巨噬细胞STING 信号通路激活增强肝细胞脂肪变性和炎症反应，加重肝星状细胞纤维化。上述研究表明，cGAS/STING通路的激活参与NAFLD或NASH的发生。Yu等［36］报道，STING缺乏可缓解小鼠HFD或蛋氨酸和胆碱缺乏饮食导致的脂肪变性、纤维化和炎症。Qiao 等［37］报道，敲除STING或IRF3显著降低炎症因子表达，减少游离脂肪酸诱导的肝炎症，抑制NF-κB 和凋亡信号通路，减少游离脂肪酸诱导的人肝L02 细胞凋亡。研究发现，肥胖伴随着肠道屏障的破坏，导致肠道微生物及其代谢产物泄漏到循环系统和远处器官，具有推动代谢性疾病发展的作用［38］。Luo等［39］报道，微生物DNA是触发NAFLD的介质，肠道细胞外囊泡将微生物DNA转移到肝细胞中，cGAS和STING 表达随微生物DNA积累而升高，在肝中引起炎症和纤维化。因此，抑制cGAS/STING通路对肝炎治疗很有潜力。

2.3 cGAS/STlNG 信号通路与心脏疾病

DCM是糖尿病严重心脏并发症，糖尿病对心脏的有害影响包括纤维化基因表达改变、能量代谢异常、左心室功能下降、氧化应激、无菌炎症、脂质堆积和线粒体功能障碍等，这些都有助于心功能障碍、心肌肥厚和心肌重塑的发生发展［40］。DCM 可表现为心衰、心绞痛和心律失常等症状，是导致糖尿病患者死亡的最大风险因素，目前还缺乏特异性治疗方法［41］。近年来对DCM 发病机制的研究逐渐增多，cGAS/STING通路被认为与其发病机制有关。

Ma 等［42］利用HFD 喂养db/db小鼠建立肥胖型心肌病模型，观察到小鼠心肌细胞细胞质内mtDNA增加和cGAS/STING 通路激活，以及下游分子IRF3，NF-κB，IL-18和IL-1β表达。体外实验利用棕榈酸（palmitic acid，PA）培养H9C2 大鼠心肌细胞构建脂毒性模型。结果表明，cGAS/STING 通路激活与胞浆内mtDNA 出现有关，PA 诱导线粒体稳态发生改变，产生过多线粒体活性氧，造成mtDNA氧化损伤并释放到细胞质中。进一步研究发现，在脂毒性H9C2 细胞模型中和DCM 小鼠模型中使用STING 抑制剂均可显著抑制心肌细胞炎症和凋亡。Yan 等［18］利用腺病毒特异性敲除小鼠心肌STING，并注射链脲佐菌素和采用HFD 诱发糖尿病，发现敲除STING可减轻心肌细胞焦亡和炎症反应，预防糖尿病诱导的心肌肥大，并恢复心脏功能。机制研究发现，线粒体氧化损伤和游离脂肪酸诱导mtDNA 逃逸，刺激cGAS/STING 通路启动核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3 炎症小体诱导的心肌细胞焦亡和慢性炎症。可见，在高血脂或高血糖环境下，线粒体功能障碍是mtDNA增加的主要原因，mtDNA 激活cGAS/STING 通路在肥胖相关DCM 发病机制中具有重要作用，且STING有望成为治疗DCM的潜在靶点。

2.4 cGAS/STlNG 信号通路与肾疾病

DN 是一种糖尿病微血管并发症，约40%糖尿病患者会患此病。糖尿病相关的代谢变化导致肾小球肥大、肾小球硬化、肾小管间充质炎症和纤维化，病程包括进行性蛋白尿、肾小球滤过率下降以及最终的肾功能衰竭［43］。尽管DN 是慢性肾病的主要原因，但尚未受到足够重视。高血糖通过不同肾损伤机制促进炎性介质在受损的肾小球和肾小管细胞中表达，cGAS/STING 通路参与了DN 的发病机制。

Myakala等［44］报道，db/db小鼠和KKAy小鼠的肾炎是由cGAS 激活引起的，DNA 损伤或线粒体功能障碍可释放DNA 到细胞质中激活cGAS，导致第二信使cGAMP 产生，随后通过STING 诱导IFN-Ⅰ反应或NF-κB 活化，诱导炎症因子表达。沙库必曲（sacubitril）/缬沙坦（valsartan）可修复mtDNA 损伤，抑制cGAS/STING 通路激活，减轻db/db小鼠和KKAy 小鼠蛋白尿、系膜扩张和足细胞损失，对2 型糖尿病小鼠肾功能具有保护作用。研究发现，过表达DsbA-L 可拮抗线粒体应激诱导的mtDNA 释放和脂肪组织中cGAS/STING 通路激活，改善高糖诱导的肾小管损伤，防止DN 中异位脂肪沉积和脂质相关肾损伤［45-46］。此外，线粒体功能受损和肾小管炎症是急性肾损伤和随后的慢性肾病的发病机制。有研究在急性肾损伤患者肾脏中也检测到cGAS/STING 通路激活，并发现在STING敲除小鼠中顺铂诱导的管状炎症和急性肾损伤表型得到改善。抑制STING 也可减轻叶酸诱导的小鼠肾炎症、肾小管损伤、肾纤维化以及线粒体功能障碍［47-48］。综上所述，cGAS/STING 通路激活可导致肾损伤，抑制cGAS/STING 通路可延缓肾疾病进展。

2.5 cGAS/STlNG 信号通路与血管内皮疾病

AS是一种由脂质代谢异常、炎症反应和血流动力学改变引起的血管疾病［49］，特点是血管壁中脂质积聚和炎症细胞因子增加、内皮细胞和血管平滑肌细胞功能障碍、由单核细胞或巨噬细胞引发泡沫细胞形成，在局部血管形成斑块，使血管狭窄限制血液流动，最终导致心力衰竭、心源性猝死、急性心肌梗死等心血管疾病［50］。近年研究发现，AS进程加快与血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMC）cGAS/STING 信号通路激活相关。Bi 等［51］建立了慢性肾疾病相关AS小鼠模型，发现在慢性肾病背景下，AS 斑块体积变得更大更不稳定，且诱导VSMC 发生氧化应激，损害VSMC 线粒体功能，进而使mtDNA 泄漏至细胞质中，激活cGAS/STING通路分泌更多的IFN-Ⅰ，促使VSMC 向早衰和炎症转换；同时VSMC 数量减少，使纤维帽变薄，斑块破裂风险增加。特异性cGAS或STING基因敲除阻断cGAS/STING 通路，可有效降低小鼠IFN-Ⅰ分泌及AS 斑块不稳定性，提示cGAS/STING 通路是AS斑块不稳定的发生机制，干预cGAS/STING 通路有望成为治疗AS关键途径。

除AS外，患有代谢性疾病血管并发症的患者均有不同程度的内皮功能损伤，内皮功能障碍是许多代谢异常状态下血管病变的基础［52］。已有研究表明，高血糖和游离脂肪酸引起的代谢性炎症抑制新生血管形成，延缓伤口愈合［53］。Yuan等［54］报道，PA调节Yes 相关蛋白（Yes associated protein，YAP）通路抑制血管生成和伤口愈合，PA处理诱导线粒体损伤并使mtDNA 向胞质释放，激活cGAS/STING/IRF3信号通路，激活的IRF3与哺乳动物ste20样激酶1 基因启动子结合，诱导哺乳动物ste20 样激酶1表达，使YAP 磷酸化失活，抑制内皮细胞增殖、迁移和血管形成。可见保护线粒体免受损伤，靶向cGAS/STING/IRF3 通路进行干预是抑制血管生成和伤口愈合受损的重要途径。

3 结语

cGAS/STING 信号通路和代谢性炎症之间存在着密切联系，mtDNA 在二者之间发挥了重要的桥梁作用。抑制cGAS/STING 信号通路可改善代谢性疾病，如肥胖、NAFLD、DCM、DN 和AS 等。作用于cGAS/STING 信号通路的药物及制剂有待开发。研究cGAS/STING 信号通路可为代谢性炎症相关的疾病治疗提供新的思路与方法。