cGAS-STING信号通路与肿瘤关系的研究进展

陈娟娟，张平安

武汉大学人民医院检验科，武汉 430060 00

环磷酸鸟苷-腺苷酸合成酶（cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate synthase，cGAS）作为广泛的DNA识别受体，能够识别肿瘤DNA、病原体DNA、线粒体泄露DNA等而引发宿主防御功能。cGAS识别DNA后能够催化合成第二信使环二核苷酸（cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate，cGAMP），随后cGAMP活化干扰素基因刺激因子（stimulator of interferon gene，STING），促进Ⅰ型干扰素（interferon，IFN）的表达以调节固有免疫功能。一方面，Ⅰ型IFN能够增强抗肿瘤细胞毒性T淋巴细胞免疫应答；另一方面，Ⅰ型IFN也能促进STING信号通路的激活，招募效应T细胞在肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）中杀伤肿瘤细胞。相关研究表明，STING信号通路可以通过肿瘤类型和免疫检查点封锁在天然抗肿瘤免疫中发挥关键作用[1]。然而，也有一些肿瘤能够逃避这一信号通路所介导的免疫应答，且在一定程度上可以促进肿瘤的发生、生长和转移。因此，本文对有关调控STING信号的肿瘤治疗途径，以及将基于STING的靶向治疗方法整合到组合疗法中以获得持久的抗肿瘤免疫应答等研究进行综述。

1 天然抗肿瘤免疫应答

肿瘤细胞在生长过程中，经过多次分裂增殖，其子细胞会呈现出分子生物学或基因方面的改变，这一变化可使肿瘤细胞逃避机体的免疫应答，降低机体对抗肿瘤药物的敏感性；同时，还可导致宿主针对肿瘤细胞产生相对低效的免疫应答。若能增强机体的天然免疫应答能力以清除肿瘤细胞，那将大大减少化疗、放疗带来的不良反应。细胞因子，包括白细胞介素-6（interleukin 6，IL-6）、IL-10、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）等[2-3]，在肿瘤生长和转移的后期可以对其进行包括免疫逃避、血管生成和转移前TME在内的调控。这些过程可以受IFN、细胞信号转导及转录激活因子3（signal transduction and activator of transcription 3，STAT3）、干扰素调节因子 3（interferon regulatory factor 3，IRF3）、IRF7及核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）等多种因子的影响[4]，尤其以Ⅰ型IFN最为重要[5]。Ⅰ型IFN可以在细胞因子的介导下对肿瘤的转移产生促进作用，同时也可产生抗肿瘤免疫应答。研究表明，STING是Ⅰ型IFN重要的上游调节分子，可由IRF3及NF-κB核转移信号转导诱导Ⅰ型IFN的产生，最终促进肿瘤细胞和邻近细胞表达干扰素刺激基因（interferon stimulating gene，ISG）[6]。虽然已经发现了多种细胞内DNA感受器，但体内敲除试验表明核苷酸转移酶cGAS是细胞质中感受双链DNA（double-stranded DNA，ds-DNA）主要的、不可缺少的传感器[7]，当dsDNA被cGAS识别后，能够催化合成cGAMP，随后cGAMP激活STING，促进Ⅰ型IFN的表达以调节固有免疫功能。cGAS-STING信号通路不同于其他通路，它不通过蛋白质与蛋白质相互作用转导，而是通过由cGAS催化合成的第二信使cGAMP转导[8]，然后直接传递至STING[9]。且cGAMP并不受限于固有的细胞信号转导方式，并可以通过缝隙连接介导的信号转导产生更广泛的区域免疫应答[10]。

2 cGAS-STING信号通路与抗肿瘤免疫

当肿瘤细胞细胞质DNA泄露后，易被cGAS识别，激活强有力的下游IFN应答[11]。相关研究发现，微核在肿瘤细胞中普遍存在，当肿瘤细胞中的DNA损伤，染色体错误分离和细胞周期停滞引起微核泄露后，cGAS-STING信号通路即被激活[12]，随后机体表达大量Ⅰ型IFN，通过调节固有免疫应答来清除肿瘤细胞。而肿瘤细胞为了逃避这种DNA识别机制，则通过基因变异来破坏cGAS-STING信号轴并使Ⅰ型IFN基因座发生突变和缺失[3]。在人结肠腺癌和黑色素瘤细胞系中，肿瘤细胞能通过多种机制导致cGAS-STING信号转导异常，包括STING转移至高尔基体的信号传输中断，cGAS和STING启动子区域的超甲基化以及cGAS和STING蛋白表达降低导致的IFN和下游ISG的表达降低[13]。有研究证实了STING依赖性肿瘤细胞渗透的直接抗肿瘤作用，在前列腺癌小鼠模型中使用免疫排斥试验，发现与注射后的野生型细胞相比，STING基因敲除的肿瘤细胞优先富集[13]。同样该项研究也显示，当敲除小鼠细胞内的STING时，其体内巨噬细胞吞噬作用降低[13]，这表明STING除了能调节树突状细胞（dendritic cell，DC）及CD8+T细胞的功能以外，还能对其他免疫细胞群的功能产生影响。

随着机体对DC-CD8+T细胞的交叉呈递和启动，浸润的淋巴细胞能够调节cGAS-STING介导的IFN表达。在体内试验中，cGAS缺陷型小鼠体内DC表达IFN-γ的能力下降[14]，STING缺陷型小鼠体内适应性免疫反应显著受损，IFN-γ应答能力下降，肿瘤特异性CD8+T细胞浸润减少，且出现细胞毒性功能缺陷型淋巴细胞[14]。机体能通过调节cGAMP的含量促进肿瘤特异性CD4+T细胞、CD8+T细胞、巨噬细胞及DC的浸润，增加Ⅰ型IFN和ISG的表达[15]。过继转移实验证实了cGAS-STING通路与淋巴细胞浸润的相关性，在二甲基苯蒽（dimethylbenanthracene，DMBA）模型中STING缺陷型野生小鼠的骨髓能够抵抗肿瘤发展[16]。已有研究表明STING能够调节T细胞的表达，组成型激活的突变体STING会导致T细胞增殖下降，记忆表型偏移[17]。在前列腺癌细胞中，通过DNA结构特异性酶切割基因组DNA，可促使细胞质中DNA积累，随后激活STING，表达大量Ⅰ型IFN，促进T细胞的免疫应答[18]。在急性粒细胞白血病（acute myeloblastic leukemia，AML）中，内源性cGAMP的合成促进了抗肿瘤免疫。此外，外源性注射cGAMP可以诱导恶性细胞凋亡，通过STING通路调节T细胞应答，增强抗肿瘤反应[19]。在肿瘤细胞中激活STING后其抗肿瘤细胞增殖和促进肿瘤细胞凋亡能力仍需进一步探索；如果激活STING后的这些免疫应答能够在肿瘤细胞中实现，那么将有望通过调节STING信号通路来阻止肿瘤细胞的免疫逃逸。

3 cGAS-STING信号通路与肿瘤的发生和发展

Ⅰ型IFN应答能够作为刺激肿瘤反应的关键诱导剂，且其上游cGAS-STING信号通路也可以在特定阶段促进肿瘤的发生和发展。

在炎性结肠炎相关肿瘤小鼠模型中发现，STING缺乏与肿瘤发展的易感性有关，且小鼠体内IL-22以及调节性IL-22结合蛋白的表达均下降[20]。而在非炎性路易斯肺癌（Lewis lung cancer，LLC）小鼠模型中STING激活与肿瘤生长有关[21]。鉴于cGAS-STING在病毒感染中的明确作用，推测这条途径可能与病毒诱发肿瘤产生有关；与此一致的是，STING缺陷型结直肠癌和黑色素瘤细胞对病毒感染的易感性增加[22-23]。另外，已知的病毒致癌基因人乳头状瘤病毒E7（human papilloma virus E7，HPV E7）和腺病毒E1A通过直接结合STING抑制cGAS-STING通路[24]。在HPV感染的舌鳞状细胞癌中STING的表达和活化与调节性T细胞浸润和IL-10分泌增加有关[25]，STING缺陷型骨髓来源树突状细胞（bone marrow-derived dendritic cell，BMDC）表达的炎性调节蛋白IL-22结合蛋白减少[20]。慢性幽门螺杆菌感染是诱发胃癌的高危因素，它能引起体内STING上调和下游IFN信号转导；然而，同一项研究还指出，胃癌患者的STING表达下降，且与肿瘤大小、发展和转移相关[26]。

4 cGAS-STING信号通路与肿瘤转移

cGAS-STING除了在肿瘤发生和发展中起作用外，还与肿瘤转移有关。STING依赖性肿瘤的发展可以通过免疫性调节吲哚胺2，3-双加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO）来调节，该酶可被STING激活[21]。IDO能够催化L-色氨酸转化为N-甲酰犬尿氨酸促进肿瘤细胞免疫逃逸并限制T细胞增殖[27]。值得关注的是，IDO的表达在肿瘤引流淋巴结中升高，并且STING和IDO同时缺陷的小鼠更能抵抗LLC的远处转移。连接蛋白43和原钙黏蛋白7介导cGAMP通过缝隙连接从肿瘤细胞转移到星形胶质细胞，随后诱导IFN和NF-κB的表达，促进脑转移[28]。与cGAS-STING信号转导一致的是，当敲低肿瘤细胞中cGAS的表达时，会导致共培养星形胶质细胞中IRF3和Ⅰ型IFN磷酸化的减少。相反，Demaria等[29]证明在肿瘤内注射cGAMP可使小鼠肺转移瘤几乎完全消融并延迟对侧肿瘤生长。由于cGAS-STING的激活可以对肿瘤转移产生旁分泌作用，进一步探索以确定这种组织特异性的作用及在临床治疗中的应用有重要意义。该组织特异性可以被器官特异性驱动，促进肿瘤细胞转移；这一过程是由TME中的细胞因子介导的，其可以通过上调内皮细胞中黏附因子的表达促进黏附作用[30]。虽然仍不确定旁分泌信号、缝隙连接介导的cGAMP转移及尚未发现的机制对肿瘤转移的影响，但cGAS-STING介导的调节性免疫功能和基于cGAS-STING通路的靶向治疗值得进一步探索。

5 cGAS-STING信号通路与肿瘤靶向治疗

在肿瘤内给予cGAMP和其他环状二核苷酸刺激后，机体表现出显著的抗肿瘤反应，这是cGASSTING参与抗肿瘤免疫的最有力证据。尽管化疗和放疗并未靶向cGAS-STING信号通路，但是这些药物和射线可能会诱导损伤的DNA激活cGASSTING信号通路并增强抗肿瘤免疫反应导致肿瘤细胞死亡。目前化疗药物顺铂和依托泊苷均可通过引发DNA损伤和细胞溶质DNA渗漏诱导cGAS-STING的激活，在实验室中，依托泊苷被广泛应用于研究DNA受损途径，以及探讨与DNA识别、修复和炎性反应有关的基因表达，这些基因包括Ⅰ型IFN、抗病毒Mx基因家族，以及Mbd21d1（即cGAS）和Tmem173（即STING）[31]。最新研究表明，化疗药物多柔比星和柔红霉素能够通过抑制拓扑异构酶Ⅱ和dsDNA断裂有效激活STING[32]。

在发现STING之前，5，6-二甲基黄酮-4-乙酸（5，6-dimethylxanthone-4-acetic acid，DMXAA）是一种非常有前景的化疗药物，对晚期肺癌、前列腺癌和乳腺癌均有疗效。随后有研究报道，DMXAA能激活STING，使其诱导IFN-β的表达和CD8+T细胞的增殖和浸润[33]。但DMXAA在Ⅲ期临床试验中失败了，因为DMXAA仅能激活小鼠体内的STING功能，而对人类和大鼠的STING无激活作用[34]。为此许多科学家开始对STING激活剂进行研究，包括瘤内注射MIW815的Ⅰ期临床试验以及利用免疫疗法对恶性实体肿瘤进行检查点封锁[35]。据研究报道，人工合成的环状二核苷酸衍生物能够激活所有已知的人类STING等位基因，但仍需在临床试验中进一步探索[6]。这些合成衍生物在小鼠骨髓源巨噬细胞（bone marrow-derived macrophage，BMDM）和原代人细胞中能诱导IFN-β的合成，当将该药物注射到小鼠黑色素瘤、结肠癌和乳腺癌肿瘤中时，能够减小肿瘤体积，并在肿瘤消退后诱导抗肿瘤免疫记忆形成[36]。环状二核苷酸似乎增强了各种现有的和前瞻性的抗肿瘤疗法的效果，包括疫苗、CD47阻滞剂、氟二氧嘧啶和尿嘧啶[37]。最引人注目的是，在小鼠的B16黑色素瘤模型中发现，cGAS和STING对程序性死亡受体配体-1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也称PDL1）拮抗剂的抗肿瘤作用至关重要，然而当小鼠体内的cGAS或STING被敲除时，抗PD-L1疗法对肿瘤体积或生长无影响[1]。

目前许多常见的病毒载体，包括单纯疱疹病毒1（herpes simplex virus-1，HSV-1）、腺病毒和痘苗病毒等dsDNA病毒均能够激活cGAS-STING信号通路[38]。cGAS和STING在HSV-1感染中起关键作用，能够增加Mb21d1和Tmem173型小鼠的致死易感性[39-40]。此外，HSV-1能够根据细胞类型调节STING的稳定性和功能[41]。在黑色素瘤细胞系中，cGAS-STING缺陷型和相关的Ⅰ型IFN缺陷型细胞信号的转导与溶瘤细胞内HSV-1复制的增加和细胞溶菌作用增强有关[23]。自从发现溶瘤细胞内HSV-1变体能够治疗黑色素瘤后，有研究者推测cGAS-STING有可能成为预后和疗效监测的生物标志物。由于微小RNA（microRNA，miRNA）的分子量小、特异性强，可在肿瘤治疗中作为肿瘤标志物或者肿瘤治疗剂[42]。有研究报道，miRNA-27能够靶向STING的3'UTR位点，并且miRNA-27的表达水平降低与舌鳞状细胞癌的发展相关[25]。同时，miRNA-27的转染降低了STING的表达和下游信号的转导，因此被认为是调节cGAS-STING信号转导的另一种潜在治疗剂。

另据研究报道，cGAS-STING激活剂能够促进辅助性T淋巴细胞1（helper T lymphocyte 1，Th1）的佐剂效应，因此可以与肿瘤的各种治疗方案联合使用。体内小鼠试验研究表明，STING激活剂可以增加放疗、疫苗疗法及免疫疗法的效果，除了辅助作用外，cGAS-STING信号通路也可以被溶瘤病毒激活以用于新的治疗方案；如上所述，研究cGAS-STING对肿瘤发展的影响必须考虑肿瘤细胞的特异性。cGAS-STING介导的肿瘤发生、发展和转移的新兴作用仍需在临床试验中进一步探索。与任何类型的免疫疗法一样，cGAS-STING介导的靶向治疗依赖于诱导机体产生强大的抗肿瘤免疫反应，同时尽量减少肿瘤的炎性反应。

6 小结

cGAS-STING信号通路与肿瘤的发生、发展及转移有关，机体能够通过调节STING信号通路的激活，增强天然抗肿瘤免疫。对cGAS-STING信号通路的深入研究，不仅可以加深对固有免疫抗感染机制的理解，而且为肿瘤免疫的药物设计提供了理论基础，使其在基础免疫学、肿瘤生物学及肿瘤临床治疗中发挥更大的作用。