cGAS/STING 信号通路与骨骼肌损伤后炎症反应的研究进展

周荣杰 高明 李慧 徐刚

骨骼肌作为人体的动力器官，通过收缩与舒张来维持机体的正常活动。对于从事竞技体育运动的专业运动员来说，为了提高个人竞技水平，需要长期进行重复性、高强度的训练，以维持良好的竞技状态。但长时间、大负荷离心运动，会使肌纤维超微结构发生改变，引起运动性骨骼肌微损伤（Exercise-induced muscle damage，EIMD），出现不同程度的延迟性肌肉酸痛（Delayed onset muscle soreness，DOMS）[1，2]。临床主要指征为关节活动度减小、受限，减震能力减弱，肌肉僵硬，肌力不同程度下降并伴有酸痛感，通常这种表现并不会发生在运动期间或运动后即刻，而是在运动后的24h 开始逐渐加剧，严重影响运动员日常训练和比赛。目前研究认为不习惯性运动或偏心运动导致肌肉细胞的超微结构损伤，可能与蛋白质降解、凋亡以及局部炎症反应有关[3]。其实运动损伤所影响的并不只局限于运动员短期内的训练和比赛，长期反复的微损伤不断累积和叠加，还可能会诱导骨骼肌胶原纤维过度增生，形成细小瘢痕组织，引起骨骼肌纤维化[4]。

炎症反应的发生是极其复杂的过程，尽管针对运动性骨骼肌损伤炎症反应已有较多的研究[5，6]，但对于其发生机制仍缺乏全面清晰的认识。因此深层次探讨引起运动损伤的炎症反应机制，以期寻找更加有效干预靶点，已成为目前一个新的研究热点。环化GMP-AMP 合成酶（Cyclic GMP-AMP synthase，cGAS）能结合胞质中的双链DNA（Double strands DNA，dsDNA），并激活干扰素基因刺激因子（Stimulator of interferon genes，STING），介导Ⅰ型干扰素（Type 1 interferons，IFN-I）和其他炎症因子的产生，参与诸多疾病的发生、发展过程。STING 是固有免疫系统的一个关键性接头蛋白，同时又具有炎性分子的特征，STING 表达上调引起相关信号通路的活化，与机体各种炎性疾病的发生关系紧密。现对cGAS/STING 信号通路在炎性疾病方面的研究进展进行总结，为从cGAS/STING 信号通路角度揭示运动性骨骼肌损伤炎症反应机制的研究提供参考。

1 运动性骨骼肌损伤后炎症反应机制

1.1 骨骼肌损伤的组织形态学改变骨骼肌在持续的运动牵拉和应力作用下，会出现代偿性失调，引起肌组织出现不同程度的形态学改变，这也是目前界定运动损伤的一种方法。最早见于Smith 等[7]的研究报道，发现机体在大负荷运动后会出现DOMS，其酸痛部位肌纤维间可见水肿、巨噬细胞浸润、溶酶体活性增强等现象。生理学家很早就已经通过电镜直接证实离心运动会导致骨骼肌超微结构损伤，包括肌膜、细胞骨架、Z 线等的改变[8]。之后研究者对大鼠进行一次性长时间离心运动，发现骨骼肌急性损伤后，首先会在损伤的局部出现肌纤维结构破坏，之后会出现炎症细胞和促炎因子浸润[5]。对运动损伤性大鼠腓肠肌研究发现，在电镜下可以清晰地观察到肌原纤维排列不规则，肌细胞肿胀融合，部分肌纤维发生断裂，血管扩张充血，肌丝排列混杂、卷曲，肌间可见髓鞘样改变，T 小管轻度肿胀，三联管稍微肿胀，细胞膜局部模糊，并发现炎性细胞和促炎因子浸润[9]。线粒体是骨骼肌的供能单位，骨骼肌损伤极易导致线粒体损伤。白胜超等[10]对骨骼肌线粒体的研究发现，对大鼠一次性大负荷运动后，观察到线粒体出现肿胀，大量聚集，一些线粒体膜结构模糊，出现大量大小不一的线粒体片段。尚画雨等[11]研究发现大鼠进行离心运动后嵴结构不清晰、稀少，部分线粒体基质变浅，甚至出现空泡化，还有部分线粒体出现膜结构模糊、不完整甚至消失，伴有大量自噬体形成。

1.2 骨骼肌损伤后炎性因子效应临床上DOMS 的发生并非在运动后即刻，而是在运动后24～48h 逐渐加剧。因此早期研究者认为骨骼肌超微结构损伤暂不能认为是引发DOMS 的直接原因，可能是损伤后诱导产生其他物质引发DOMS 的产生。之后大量学者对此进行研究，证实在运动造成的骨骼肌损伤初期，最先做出应答的是嗜中性粒细胞，之后则是巨噬细胞[12，13]。除大量炎性细胞浸润外，在血液中也可以检测到较多炎性介质，如TNF-α、IL-10、IL-6、IL-1β 等[14]。这些促炎因子首先是由炎性细胞所分泌，另外则认为骨骼肌本身也可以分泌致炎因子。刘晓光等[15]在对小鼠下坡跑后发现，嗜中性粒细胞在运动后第3 天和第7 天表达量显著增加，随后巨噬细胞在第7 天浸润增多，TNF-α在下坡跑后第7 天显著增加；IL-1β、IL-6 在下坡跑后第3 天与第 7 天均显著增加。而白胜超等[5，6]对大鼠比目鱼肌TNF-α、IL-6 表达的研究表明离心运动开始即刻TNF-α、IL-6 表达就明显升高，TNF-α 表达一直持续48～72h 达到最高值后逐渐降低；而IL-6 即刻上调后，一直维持在一个相对较高的水平，持续到120h 后逐渐下降。

TNF-α、IL-6 和IL-1β 等促炎因子被认为是介导骨骼肌损伤早期炎症反应主要的炎性因子。炎性细胞与促炎因子表达很大程度上呈正相关，但时间轴上存在一些偏差，因此不足以表明所有的促炎因子都是由炎性细胞直接分泌的。在心力衰竭患者血清IL-1β、IL-6 水平的变化及意义研究中发现，IL-1β、IL-6 也可以由成纤维细胞和内皮细胞产生[16]。早期研究认为IL-6 主要来源于巨噬细胞，实际上研究发现许多细胞都能表达IL-6，包括骨骼肌细胞，安静情况下骨骼肌中IL-6 表达量相对较低，而运动时骨骼肌则成为IL-6 的主要分泌来源[17]。

2 cGAS/STING 信号通路

cGAS 属于核苷酸转移酶家族，人源 cGAS 由522 个氨基酸组成，相对分子质量大小为60kD，是一种位于胞质中的DNA 识别受体，可以检测到进入胞质中的dsDNA。研究发现cGAS 和dsDNA 的结合呈长度依赖性，与DNA 序列无关。细菌、病毒入侵，线粒体受损或基因组不稳定性引起的胞质中DNA 聚集都可能导致cGAS 被激活[18]。当cGAS受体的结构域检测到释放入胞质内dsDNA，cGAS就会立刻发生活性位构象改变，从而催化ATP 和GTP 合成环磷酸鸟苷-磷酸腺苷（Cyclic-GMPAMP，cGAMP）。

cGAMP 是一种环二核苷酸，属于胞内第二信使，它可以激活和结合细胞内质网膜上的STING，导致STING 的CTT-CTD 分离，诱导STING 活化；活化后的STING 从内质网经高尔基体迁移至核周核内体，并最终定位在该处；STING 作为支架蛋白，募集并激活TANK 结合激酶1（TANK-binding kinase 1，TBK1），并使转录因子IRF3 磷酸化；随后IRF3被TBK1 磷酸化激活形成二聚体并易位进入细胞核内，诱导Ⅰ型干扰素、趋化因子配体以及TNF-α、TNF-β 等炎症因子的表达[19～21]。同时STING 还能将信号传给肿瘤坏死因子受体相关蛋白6（TNF receptor associated factor 6，TRAF6），激活经典核因子κB（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号通路，诱导TNF-α、IL-6、IL-1β 等炎症因子释放[20，22]。

3 cGAS/STING 信号通路与运动性骨骼肌损伤的关系

3.1 运动性骨骼肌损伤后mtDNA 释放机制运动性骨骼肌损伤为临床常见疾病，尤其是在竞技体育运动中频发。过度运动训练诱导的骨骼肌损伤，是造成线粒体结构功能破坏的重要因素之一[23]。研究发现健康男性在一次性急性大强度运动后，血清游离的线粒体DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）水平显著升高[24]，这说明大强度运动造成骨骼肌线粒体损伤后，大量mtDNA 会被释放出来。正常运动状态下，线粒体损伤会通过激活自噬的方式来避免线粒体损伤相关分子模式（Damage-associated molecular pattern molecules，DAMPs）的启动。但是当线粒体自噬被抑制或者受损伤的线粒体在细胞内积聚，从而超过了自噬清除受损线粒体的能力时，会有部分mtDNA 被释放到胞质内或细胞间质中[25]。

线粒体参与细胞的有氧呼吸，是机体的能量工厂，对机体内氧的感知、炎症反应、自噬凋亡、信号转导等生命活动极为敏感[26]。mtDNA 位于线粒体基质中，而线粒体作为拥有内、外双层膜的细胞器，mtDNA 效应发生必须穿越线粒体内、外膜两层障碍到达细胞质中[27]。目前研究认为mtDNA片段释放主要有两种途径：一是通过位于线粒体内外膜上的线粒体膜通透性转换孔（Mitochondrial permeability transition pore，mPTP）进入胞浆[28]；另一种则依据氧化应激作用于组织的强度，分别通过线粒体外膜通透化（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）和电压依赖性阴离子通道（Voltage-dependent anion channels，VDAC）的低聚，在线粒体外膜上形成大孔，介导mtDNA 片段的释放[29]。同时有研究认为长时间耐力运动也可以诱导骨骼肌释放外泌体，当外泌体进入血液循环，还能够对机体各个组织器官进行调控。释放的外泌体中不仅包含mtDNA，还有少部分多肽、miRNA 和 mRNA[30]。

3.2 骨骼肌mtDNA 启动cGAS/STING 信号通路炎性细胞因子效应mtDNA 作为激活DAMPs 关键分子，可以触发无菌性炎症，且高强度运动对机体主要起促炎作用。研究发现在对小鼠离心运动后，骨骼肌炎性细胞、炎性因子表达均明显增加。另有研究发现急性长时间运动或重复高强度间歇运动后，即刻检测到骨骼肌细胞mtDNA 降低[31]，说明线粒体损伤后部分释放的mtDNA 可能已经被cGAS 受体捕获而结合，进一步激活下游一系列信号通路，最终调节骨骼肌损伤后TNF-α、IL-6、IL-1β 等促炎因子的表达。但也有研究认为当肌细胞线粒体自噬被激活后，可以通过cGAS/STING 信号通路减少局部炎症反应。Tuan 等[32]研究发现力竭运动后小鼠心肌线粒体损伤，引发线粒体自噬清除受损线粒体，减少线粒体 mtDNA 的释放，进而减缓 STING 激活的炎症信号和干扰素信号。另有针对心肌细胞的研究发现，在正常情况下心肌细胞中氧化损伤的mtDNA 会被自噬清除，当某些有害因素导致自噬被部分抑制时，心肌细胞因无法及时清除氧化损伤的mtDNA，导致mtDNA 释放到细胞质中激活cGAS-STING 信号通路，引起炎症反应的发生并造成心肺功能的损伤[17]。这也从侧面反映了mtDNA 对激活cGAS/STING 信号通路介导的炎症反应有直接作用，可以将mtDNA 作为靶点，来调节机体损伤后的炎症反应。因此推测cGAS/STING 信号通路很可能也参与了运动性骨骼肌损伤的炎症反应过程，且骨骼肌mtDNA 是激活cGAS/STING 信号通路的关键枢纽。可能是由于高强度的运动应激，线粒体在机械应力或代谢压力等因素的作用下损伤，进而导致部分mtDNA 被释放到胞质或细胞外间质，从而激活cGAS/STING 信号通路，介导骨骼肌损伤后部分炎性介质的释放。

3.3 骨骼肌mtDNA 激活cGAS/STING 信号通路机制胞质内的cGAS 受体对dsDNA 识别不具有特异性，无论是病毒、细菌、肿瘤细胞等外源性DNA，还是机体细胞死亡、线粒体损伤等内源性DNA，任何被释放到胞质的dsDNA 都有可能被cGAS 受体识别，从而激活cGAS/STING 通路。研究表明mtDNA 的甲基化修饰程度普遍低于细胞核DNA，与细菌DNA 的CpG 同源[33]，因此更容易成为异源性DNA 来激活机体的免疫反应。与dsNDA 激活cGAS/STING 通路过程一样：当运动应激造成骨骼肌线粒体损伤时，通过各种途径释放mtDNA 进入胞浆或细胞间质，后被胞质内cGAS 受体识别；然后cGAS 催化 ATP 和GTP 合成cGAMP；cGAMP 进而结合并激活接头蛋白 STING；活化后的STING 在内质网和高尔基体之间转运，同时招募TBK1，促使 IRF3 磷酸化；磷酸化的IRF3 随后转移到细胞核内诱导IFN-Ⅰ的表达。同时STING 还可以通过激活IKKβ激酶并使IκB 发生磷酸化而被泛素-蛋白酶体降解。最终进入细胞核的IRF3 与NF-κB 等转录因子相互作用以诱导IFN-Ⅰ以及促炎性细胞因子如TNF-α、IL-6 和IL-1β 的表达[34]。

4 总结与展望

急性运动后，局部肌纤维破坏，线粒体开始变大、肿胀，出现膜结构不清晰等超微结构损伤，炎性细胞和促炎因子浸润。由于炎症反应期较长，在组织修复过程中易诱导肌纤维过度增生，形成修复性瘢痕，降低肌肉收缩性，增加运动后再损机率[35]。虽然损伤早期的炎症反应在肌肉组织修复、重塑过程中发挥着重要作用，但这在骨骼肌受到严重损伤时更具有意义，而因急性运动导致EIMD 时，持续性的、过度的炎症反应弊大于利。

cGAS/STING 信号通路最初因其能介导Ⅰ型干扰素参与固有免疫应答而被发现，随着近年来研究不断深入和拓展，发现cGAS/STING 信号通路参与了越来越多疾病的发生、发展过程，尤其在一些炎性疾病中，同时发现在此类疾病中，mtDNA 为激活cGAS/STING 信号通路的关键靶点[36]。

综上所述，cGAS/STING 信号通路很可能也参与了运动性骨骼肌损伤后炎症反应过程。但目前对cGAS/STING 通路在这一领域中的作用及机制研究仍相对偏少，尤其是针对DOMS 调控研究。探索骨骼肌mtDNA 激活cGAS/STING 通路从而介导运动性骨骼肌损伤炎症反应发生的具体分子生物学机制，将为丰富和完善运动性骨骼肌损伤生理、病理机制提供理论基础，为临床干预处理DOMS 及可能因损伤累积导致的慢性疼痛提供新的治疗靶点。