c GAS-ST ING在慢性肾脏病中的研究进展论文

 

　　关键词：cGAS-cGAMP,STING,慢性肾脏病

 

 

　　cGAS-STING通路是机体感受细胞质中异常存在的DNA并激活I型干扰素免疫反应的重要信号通路，可发挥对抗外源病原体和识别清除内源性损伤的双重作用[1]，近年来已成为医学界关注的热点。人类蛋白质图谱分析显示，cGAS不仅在大多数免疫相关器官组织中高度表达，而且在许多非免疫相关组织器官中也有表达[2]。研究发现，cGAS-STING通路的激活可促进脂肪组织产生胰岛素抵抗[3]，并引起饮食诱导的非酒精性脂肪肝[4-5]，巨噬细胞中的STING在此病理过程中也起重要作用，表明cGAS-STING信号通路在调节代谢中具有潜在的作用。此外，cGAS-STING通路还与细胞的能量代谢以及在不同条件下发生的自噬、凋亡和mTOR信号通路的活化有关[6-7]。

 

　　研究证实，炎症是肾脏病发生发展中的重要因素，但具体机制未明[8]。cGAS-STING信号通路一方面作为抗感染的第一道防线，另一方面作为识别外源性DNA与自身dsDNA的感受器，可导致固有免疫系统长期或过度激活，参与许多疾病的病理过程[9]。本文介绍了cGAS-STING信号通路的组成及活化机制，并简要总结了其在慢性肾脏病中的研究进展。

 

 

　　cGAS-STING信号通路主要由环鸟苷单磷酸-腺苷单磷酸合酶（cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate synthase,cGAS）和cGAMP的直接受体干扰素基因刺激因子（stimul at or of interferon genes,STING）组成。cGAS属于核苷酸转移酶（NTase）家族，有大约130~150个残基的非结构化，保守性不佳的N末端延伸和是属于核苷酸转移酶（NTase）超家族的高度保守的Mab21结构域组成[10]。当dsDNA被cGAS识别后，它催化ATP和GTP合成第二信使cGAMP[11]。STING又称为是一种定位于线粒体外膜上的多跨膜蛋白，由四部分组成：短N末端胞质段，负责结合TBK1的C末端尾部，四个内质网膜上的跨膜螺旋和胞质配体结构域[12-13]。

 

　　2 cGAS-STING信号通路的活化机制

       2.1 cGAS的活化

 

　　cGAS的C端的Mab21结构域有1个高度保守的锌囊结构，其中的锌离子可维持蛋白结构，这是cGAS识别双链DNA（dsDNA）的重要位点之一，抑制其表达将导致dsDNA无法被识别[14]。cGAS与dsDNA结合而被激活，引起第二信使cGAMP的合成。除了病原体衍生的dsDNA外，cGAS还可被自身DNA激活，如mtDNA和核DNA，这些DNA异常存在于细胞质或微核中，诱发线粒体应激、基因组不稳定性或DNA损伤等情况。cGAS与胞质DNA的结合导致其通过构象变化和二聚化而活化，从而引起其催化位点的重排，这种结合取决于DNA长度，与DNA序列无关，当DNA长度大于16个核苷酸时，才能有效跨越cGAS二聚体的2个DNA结合位点使其产生催化活性。在人体内，cGAS二聚体需要足够长的DNA以协同方式与其结合，长度须大于45个核苷酸，对于小于20个核苷酸长度的DNA只有在cGAS浓度很高的时候才能体外诱导cGAS催化活性[15]。

 

　　2.2 cGAS产生刺激因子

 

　　cGAS充当DNA受体和核苷酸基转移酶，通过产生CDN（a cyclic dinucleotide）信使与效应器STING进行远距离通信。各种细菌产生CDN，包括cGMP–GMP、cAMP–AMP和3'，3'-cGAMP，这些CDN包含两个单磷酸核苷酸，通过磷酸二酯键相互连接形成环状结构。与具有两个3'-5'键的细菌CDN不同，哺乳动物细胞产生2'，3'-cGAMP，具有2'-5'和3'-5'磷酸二酯键。尽管细菌CDN也可以激活STING，但2'，3'-cGAMP能以更高的亲和力与STING结合，使细胞产生IFN-I和炎性细胞因子[16]。

 

　　2.3 STING的功能

 

　　STING具有四种功能：IRF3活化、NF-κB活化、自噬调节和通过STING溶酶体运输诱导溶酶体细胞死亡（lysosomal cell death,LCD）。其中，STING通过其N端部分跨越内质网膜四次来活化IRF3。STING的C—末端部分的配体结合结构域（LBD）和C—末端尾部（CTT）都面向胞质（见图1）。在稳态条件下，与内质网结合的STING形成一个二聚体，它们的LBD随即成为一个环状二核苷酸配体，而后形成一个V形配体结合袋，2'，3'-cGAMP与STING二聚体的配体结合袋结合。STING二聚体通过其CTT与TBK1结合，配体结合和STING寡聚可能促进了TBK1的反式磷酸化，活性TBK1随后磷酸化STING的CTT（这发生在STING的相邻二聚体上，而不是TBK1结合的二聚体）。CTT磷酸化为IRF3创建一个对接位点，随后被TBK1磷酸化，IRF3随后发生二聚化，获得转录活性[17]。

 

　　2.4 cGAMP与STING相互作用

 

　　cGAMP促进STING从内质网向高尔基中间隔室和高尔基体的易位，从而激活TBK1/IRF3/I-IFN信号通路，cGAMP与STING的结合也会激活IκB激酶（IKK），这会增加核因子κB（NF-κB）的磷酸化和活化，从而产生许多炎症细胞因子，见图1。

 

 

 

　　肾脏细胞富含线粒体且新陈代谢活跃，在病理条件下可发生氧化应激，电解质转运效率降低，造成线粒体功能受损和肾小管炎症，这是慢性肾脏病（chronic kidney disease,CKD）潜在发病机制之一[18]。研究发现，cGAS-STING通路可能参与多种肾脏病的发生与发展。

 

　　在肾脏的众多病理变化中，肾纤维化是导致终末期肾功能衰竭的常见途径。2019年，Chung等[19]进行肾纤维化相关研究时，发现了CKD的另一致病机制：肾小管细胞中线粒体受损使mtDNA暴露在胞质中，STING途径被激活，引发肾脏炎症，导致CKD的发生。他们发现，肾纤维化患者和相应的动物模型中均存在线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A,TFAM）的缺失，于是制备了肾小管特异性敲除TFAM基因的小鼠，这些小鼠的肾小管细胞在6周龄时出现了严重的线粒体损伤和能量生成不足，12周龄时出现肾纤维化、炎症反应和进行性氮质血症，并最终死亡。在TFAM敲除小鼠的肾脏细胞中，mtDNA的异常组装可引起胞质易位、cGAS-STING的DNA传感通路激活，表明TFAM基因缺失可直接激活cGAS-STING通路，引起细胞因子的释放和免疫细胞的募集。STING基因敲除可以改善Tfam基因缺失诱导的小鼠肾纤维化和肾衰竭，抑制STING的活性也能够减轻小鼠肾脏纤维化。

 

　　研究显示，STING-PERK-eIF2α信号通路能够调控mRNA的帽依赖翻译机制[20]。mRNA与cGAMP结合后，STING的胞内结构域与PERK的胞内激酶结构域相互作用，直接激活PERK，触发真核起始因子2α（eIF2α)的磷酸化，而且它能通过调控mRNA的翻译上调胶原蛋白的表达量，并促进肾脏纤维化。此机制对肾纤维化的调控在时间上明显早于经典的STING-TBK1-IRF3信号，在功能上，cGAS-STING-PERK-eIF2通路的激活显著抑制细胞mRNA翻译的总体水平，但特异地促进部分炎症和存活相关蛋白的合成。因而，我们猜测，从药理学和遗传学上以cGAS-STING-PERK-eIF2α轴为靶点进行治疗，能够显著改善肾纤维化。

 

　　糖尿病肾病（diabetic kidney disease,DKD）是导致终末期肾脏病的主要原因之一，肾细胞损伤是其诱因之一。研究表明，在肾功能障碍早期，脂肪毒性会造成足细胞的线粒体损伤，并使mtDNA通过BAX进入胞质，经此途径进入胞质的mtDNA能在无脂肪毒性的条件下激活cGAS-STING通路，继而引起下游TBK1和NF-κB通路的活化，造成足细胞损伤[21]。于是，我们认为mtDNA-cGAS-STING通路是DKD或其他肥胖相关肾脏疾病的潜在治疗靶点之一。

 

　　系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus,SLE）是狼疮性肾炎（lupus nephritis,LN）的诱因之一。研究表明，固有免疫和适应性免疫能激活人体对SLE的自身免疫，它的机制为：中性粒细胞胞外诱捕网（neutrophil extracellular traps,NETs）累积造成核膜损伤，自身抗原持续暴露于免疫系统，在IFN介导下，进入胞质的mtDNA容易被线粒体ROS氧化。氧化的mtDNA对外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cell,PBMC）和Thp1细胞来说是一种强有力的炎性刺激，并能够通过STING途径诱导IFN刺激基因（IFN-stimulated gene,ISG）的表达，达到促炎的目的[22-23]。足细胞的自噬和凋亡也是LN的发病机制之一。LN患者肾脏炎症微环境中的细胞因子能够作用于足细胞，使它分泌更多的促炎细胞因子，加重局部炎症反应；G1、G2为载脂蛋白L1抗体（Apolipoprotein L1,APOL1）的风险等位基因，人体足细胞中被激活的cGAS-STING通路和IFN信号能上调G1和G2的表达，这与终末期LN在非洲裔美国人中的加速进展有关[24]。

 

 

　　自2013年完整的cGAS-STING信号通路被发现后，学者们一直在各领域对其开展研究，cGAS-STING在肾脏疾病的相关研究也越来越多。但对于如何通过调控cGAS-STING途径缓解肾脏病以及STING是否存在其他上游通路等问题，目前尚不明确。因此，cGAS-STING信号通路的研究对于阐明慢性肾脏病的发病机制具有重要意义，相关研究成果可能对慢性肾脏病的防治提供新思路。

 

 

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