STING信号通路的研究进展

庞晓燕，谭 星，郝秀静*，李 敏*

(1.宁夏大学 西部特色生物资源保护与利用教育部重点实验室，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 生命科学学院，宁夏 银川 750021)

干扰素基因刺激因子(Stimulator of interferon gene，STING)是先天性免疫信号通路的重要介导因子，介导了多种DNA受体的信号转导，在天然免疫过程中发挥着重要作用。宿主可以通过模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)识别病原相关分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)和损伤相关分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)，激活STING信号通路引发信号级联反应，产生干扰素(interferons，IFN)和促炎细胞因子，引发相应免疫应答来抑制病原在宿主体内的复制增殖，减轻细胞和组织的损伤。病原微生物的入侵和细胞受损导致胞质中DNA异常聚集，环鸟苷-腺苷二磷酸合成酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)能够识别细胞质中的DNA，合成cGAMP(cyclic GMP-AMP)，将信号传递给下游的STING，激活机体固有免疫。作为内质网驻留蛋白，STING已被证实参与机体抗病毒感染、肿瘤、炎症等病理过程[1]。

1 STING信号通路的分子机制

STING又称ERIS、MYPS、MITA，是一个由TMEM173基因编码的进化保守的内质网跨膜蛋白，主要定位于内质网膜，部分定位于高尔基体膜和线粒体膜上[2]。STING由379个氨基酸构成，包含一个N-末端跨膜区和一个胞质C-末端球状结构域，跨膜结构域与面向细胞质的球状结构域相互作用，形成一个完整的区域交换二聚体[3]。N-末端跨膜区包括四个跨膜结构域，将STING锚定在内质网膜或其他膜结构上，C-末端结构域(C-terminal tail,CTT)在溶液中主要以二聚体的形式存在，可以保护STING聚合物界面防止自激活，还能够招募干扰素调控因子和TANK结合激酶1(TANK-binding kinase 1，TBK1)[4-5]。STING在静息状态下呈现V型的二聚体形式，定位在内质网，处于失活状态，在检测到胞浆双链DNA(dsDNA)后，环鸟苷-腺苷二磷酸合成酶 (cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate synthase，cGAS)催化ATP和GTP合成第二信使cGAMP(cyclic GMP-AMP)，cGAMP能够激活位于内质网膜上的STING蛋白，并与STING二聚体的V型缝隙处结合，进而改变STING构象，暴露其疏水C-末端结构域，形成类似TBK1的底物结构[6]。STING与cGAMP结合后，从内质网转运至内质网-高尔基体中间区室，在迁移过程中，STING的两个半胱氨酸残基(Cys88和Cys91)在高尔基体中被棕榈酸化，促进STING招募TBK1，招募的TBK1经过反式自磷酸化，在CTT中磷酸化STING，磷酸化的STING对干扰素调节因子(interferon regulatory factor，IRF)的亲和力增强，募集IRF3进行依赖于TBK1的磷酸化和激活[7]。活化的IRF3二聚体移位到细胞核，诱导Ⅰ型IFN和各种免疫调节因子表达(图1)。除了发生磷酸化修饰以外，STING也可与其他蛋白互相作用产生泛素化调控，泛素化酶TRIM56与STING结合可使STING发生泛素化[8]，促进STING二聚化以及与TBK1的结合，激活下游信号通路，进而诱导Ⅰ型干扰素和多种炎性因子的产生和分泌[5，9]。当完成信号转导后，STING会靶向溶酶体迅速进行降解，以避免过度免疫[10]。

图1 胞质DNA激活STING信号通路示意图[13]Fig.1 Model for STING pathway activation by cytosolic DNA[13]

cGAMP参与STING途径被认为是典型的激活途径，但新兴证据表明STING能够以cGAS和cGAMP独立的方式被激活，STING信号可以通过活化NF-κB导致促炎因子基因的表达(图1)。人和小鼠的STING会触发NF-κB途径的激活，但与PRR系统相比程度较低。哺乳动物的STING通过组装依赖肿瘤坏死因子受体相关因子(tumor necrosis factor receptor-associated factor，TRAF)的信号小体来招募TAK(转化因子-β激活酶)和IKK(NF-κB激酶抑制剂)复合物来激活NF-κB途径[11]，已有研究发现，STING可以独立于cGAS介导DNA损伤信号下游NF-κB途径的激活，E3泛素连接酶TRAF6、ATM、PARP-1、TP53和IFI16组合成一个非常规的STING信号复合物，导致TRAF6依赖的NF-κB激活[12]，但是STING依赖的NF-κB途径激活的确切机制仍然是未知的。

2 STING信号通路的功能

2.1 STING在病毒感染中的作用

许多DNA病毒(如腺病毒、牛痘病毒和乳头瘤病毒等)可以激活STING信号通路，进行机体的抗病毒免疫。1型单纯疱疹病毒(herpes simplex virus type 1，HSV-1)对STING敲除小鼠极其易感且致死性高[14]，被膜蛋白是病毒体的一种大型结构蛋白，由UL36基因编码，在所有疱疹病毒中都是保守的，HSV-1的VP1-2蛋白可以降低STING信号通路下游对β干扰素(IFN-β)的诱导，介导病毒的免疫逃逸活动[15]。Garcia等[16]发现非洲猪瘟病毒(African Swine Fever Virus，ASFV)感染能够激活STING途径，并且可以介导机体产生高水平的IFN-β。STING在宿主抵御RNA病毒感染中也是必需的，细胞中或小鼠体内缺乏STING，可以极大地促进水泡性口炎病毒(vesicular stomatitis virus，VSV)、仙台病毒(Sendai virus，SeV)、登革热病毒(Dengue virus，DENV)和西尼罗河病毒(West Nile virus，WNV)等RNA病毒的复制[17-18]，严重急性呼吸综合征冠状病毒(Severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)的蛋白酶能够和STING蛋白结合并抑制STING通路的下游信号，从而抑制宿主细胞表达Ⅰ型IFN的能力[19]；在流感病毒中添加STING激动剂可以提升其抗多种流感病毒的能力[20]；然而STING参与调控RNA病毒诱导的免疫反应的具体机制仍需要更深入的研究。

宿主细胞通过激活STING信号通路进行抗病毒反应，但病毒也能够通过抑制信号转导过程规避机体的抗病毒免疫应答。伪狂犬病病毒(Pseudorabies virus，PRV)的糖蛋白E可以降低STING介导的IFN-β的活性和mRNA表达水平，通过靶向IRF3或其下游蛋白影响STING信号通路[21]；乙肝病毒(Hepatitis B virus，HBV)和SARS冠状病毒(SARS-CoV)可以通过其本身蛋白与STING结合，破坏STING的二聚化和K63泛素化，从而抑制宿主表达Ⅰ型IFN的能力[22-23]。鼠巨细胞病毒(murine cytomegalovirus，MCMV)是一种建立良好的巨细胞病毒(cytomegalovirus，CMV)感染模型，MCMV M152蛋白对STING相关的IRF和NF-κB活化具有明显影响，进一步的研究表明M152能够阻止STING从内质网转运到高尔基体，从而抑制STING与TBK1之间的相互作用，防止下游Ⅰ型IFN反应，但有趣的是，NF-κB激活水平保持较高，抑制水平相对较低[24]。研究发现2019年冠状病毒病(COVID-19)与严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2(SARS-CoV-2)对Ⅰ型和Ⅲ型IFN反应的抑制作用有关，SARS-CoV-2 ORF9b蛋白与STING和TBK1相互作用，抑制STING对Ⅰ型和Ⅲ型IFN的诱导，并阻碍IRF3的磷酸化和核易位，从而促进病毒复制[25]。

2.2 STING在免疫性疾病中的功能

STING信号通路的快速激活对于启动宿主的防御反应至关重要，然而持续的炎症信号会使宿主对自身抗原发生免疫反应，诱发自身免疫性疾病。STING相关的婴儿期血管病(SAVI)是由于STING的基因突变而导致的，突变的残基位于STING的二聚化界面，在细胞水平上，突变导致STING过度激活，自发转运至高尔基体，激活下游信号传导，致使患者细胞中产生过量I型IFN，从而引发严重的自身免疫性疾病[26]，患者在婴儿期发病，表现为反复发烧，溃疡性皮肤损伤，血管炎和间质性肺部疾病。在小鼠中引入SAVI突变会导致肺部疾病、细胞因子生成、皮肤溃烂和过早死亡[27]。小鼠SAVI模型中发现由于异常的淋巴细胞发育和内在的T细胞异常而导致的淋巴细胞减少和免疫缺陷，同样在SAVI患者体内也发现了T细胞的减少，但人类的临床表现在多大程度上依赖于Ⅰ型干扰素信号或T细胞介导的免疫病理尚不清楚。

人类3′～5′修复核酸外切酶1(TREX1)可以降解双链DNA(dsDNA)和单链DNA(SSDNA)防止异常炎症和自身免疫，TREX1的基因突变会导致Ⅰ型IFN依赖性自身免疫性疾病Aicardi-Goutieres综合征(AGS),TREX1的缺失会引发系统性红斑狼疮(Systemic lupus erythematosus，SLE)和家族冻疮狼疮(SLE的亚型)；TREX1缺失小鼠Ⅰ型IFN的表达水平极高，从而诱发心肌炎导致死亡，而STING缺失或者敲除小鼠则可以预防这些自身免疫性疾病和心肌炎[28]。非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis，NASH)是由STING信号通路和促炎细胞因子的释放而导致的促炎性肝病，在NASH的小鼠模型中，长期暴露于STING激动剂5,6-二甲基呫吨酮-4-乙酸(DMXAA)可以导致野生型小鼠肝脂肪变性和炎症，但在STING缺陷型小鼠中则不会[29]。虽然这些动物模型与患者之间的临床表现比较相似，疾病发展的可变性和特定器官系统参与方面也存在相当大的差异，但是这些发现均揭示了STING通路在调节自身免疫反应中的重要作用，阻断STING的药物或STING抑制剂可用于治疗这些疾病。

2.3 STING在神经系统疾病中的作用

先天性免疫途径的激活与阿尔茨海默症、帕金森病、亨廷顿病、多发性硬化症、额颞痴呆和肌萎缩性侧索硬化等脑衰老和神经炎症有关[30]，小胶质细胞和其他脑细胞，以及在某些情况下从系统环境浸润的细胞，会分泌炎症性细胞因子和趋化因子，对大脑产生积极和消极的影响，干扰素就是这类具有神经保护和神经毒性特性的细胞因子。

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是一种常见的神经退行性病，PINK1蛋白激酶、泛素连接酶Parkin等基因突变与家族性PD有关。Parkin缺失小鼠的组织内cGAMP会升高，激活STING通路，从而使血清内Ⅰ型IFN及炎性细胞因子上调，产生神经炎性反应；而STING突变或缺失可显著抑制Parkin缺失小鼠的神经炎症反应、脑组织PD样神经变性以及肢体运动功能缺陷[31]，因此抑制STING信号通路可能对PD具有治疗价值。传染性海绵状脑病(Transmissible spongiform encephalopathy，TSEs)会使脑组织出现海绵状空洞化现象，同帕金森病、阿尔茨海默症一样属于神经退行性疾病，STING介导的Ⅰ型IFN反应在该疾病中也具有重要的调节作用[32]。

多发性硬化症(Multiple sclerosis，MS)是以轴突脱髓鞘和随后的神经变性为特征的一种神经炎性疾病，STING在中枢神经系统的小胶质细胞中表达，在MS的实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)小鼠模型中，STING的表达上调，更昔洛韦(ganciclovir，GCV)可作用于 STING信号通路，诱导Ⅰ型IFN表达，抑制小胶质细胞的增殖，降低EAE小鼠的发病率与死亡率，GCV对EAE小鼠神经炎症的抑制作用依赖于功能性STING分子[33]。

共济失调-毛细血管扩张症(ATTM)是由共济失调-毛细血管扩张突变基因(ATM)突变所致，其特征是小脑萎缩、共济失调和进行性神经变性。ATM基因可编码调节DNA双链断裂的蛋白激酶，Quek等[34]利用神经发炎和神经退行性表型生成ATM缺陷大鼠模型，发现浦肯野细胞、小胶质细胞和运动神经元中的胞浆DNA积累与IFN-β表达相对应，在ATM缺失大鼠的脊髓小胶质细胞和运动神经元中发现大量胞质DNA积累，IFN-β、IL-1β等细胞因子增加和小胶质细胞组成型激活；由于胞质DNA的大量积累，激活了STING途径，导致细胞因子的大量生成，进而引发神经炎症反应，使神经元功能障碍或死亡。STING在神经系统性疾病中的功能作用，有望为临床疾病找寻新的药理学治疗靶点，通过对STING途径的抑制或激活，可能会减轻某些疾病状态或减缓疾病进展。

2.4 STING在肿瘤中的作用

基于癌症基因组图谱(TCGA)数据库的一项研究评估了17例人类恶性肿瘤中STING的表达与28种浸润肿瘤免疫细胞之间的相关性，结果表明，肿瘤中STING表达水平与大多数免疫细胞类型的浸润呈正相关[35]。STING信号通路能够激活体内T细胞抗肿瘤反应，从而抑制肿瘤的发展，肿瘤细胞凋亡后释放的DNA通过吞噬作用被抗原提呈细胞(APC)吞噬呈递给T细胞，诱导效应T细胞激活杀死肿瘤细胞，死亡细胞的DNA可以激活STING信号，然后介导Ⅰ型IFN产生，起到清除肿瘤细胞的作用[13]，STING敲除小鼠和IRF3敲除小鼠的自发性抗肿瘤T细胞应答受损，通过使用STING激动剂在促进T细胞向肿瘤微环境浸润方面表现出良好的作用[36]。在STING途径中，促凋亡蛋白BAX的表达会上调，介导caspase-9驱动的线粒体外膜通透性和caspase-3活化，促进细胞凋亡，抗凋亡蛋白BCL2在STING途径中被下调[37]。STING在T细胞中的高表达导致两种BH3蛋白Noxa和Puma的促凋亡作用增强，并且STING的促凋亡反应在恶性T细胞中也起作用，其中TBK1是STING下游促凋亡转录的核心调节因子[38]。STING参与细胞凋亡的机制在治疗T细胞源性恶性肿瘤中的应用是一种潜在的治疗方法，可以进一步探索是否可以将依赖于STING的凋亡途径用于其他类型的癌细胞。

在大多数情况下，STING激活均可促进抗肿瘤免疫反应，然而新兴的研究也表明STING在促进肿瘤的发展和更坏的疾病预后中也发挥作用。与正常组织相比，结直肠癌、胃腺癌、甲状腺癌肿瘤组织中的STING表达明显上调，而肺腺癌、前列腺癌和子宫体子宫内膜癌组织中STING表达明显下调[39-40]。这表明，STING除了在抗癌免疫反应中发挥积极作用外，在激活不当时，STING可能会促进肿瘤生长，阻碍机体的抗肿瘤免疫反应。STING配体可以诱导抑制性分子的表达，激活非典型的NF-κB信号传导，从而抵消Ⅰ型干扰素的肿瘤抑制作用，STING对T细胞的促凋亡作用也能导致有限的肿瘤细胞清除率[38]。

3 STING通路的激动剂和抑制剂

STING信号通路在感染、炎症和癌症免疫中发挥重要作用，STING激动剂和抑制剂的研究和开发已经成为疾病治疗的研究热点。STING的激活与固有免疫反应有关，诱导机体产生干扰素和多种炎性因子，目前正在积极开发人类STING激动剂(表1)。环状二核苷酸(CDN)是STING的天然激动剂，对STING的激活具有直接作用，它包括环状二聚鸟苷单磷酸(c-di-GMP)、环状二聚腺苷单磷酸(c-di-AMP)、3′,3′-cGAMP和2′,3′-cGAMP[41]。但由于CDN较差的细胞膜通透性和不稳定性，限制了其生物活性和医学应用，基于天然结构的化学修饰是进一步改善CDN药用特性的有效手段，通过修饰CDN的磷酸、核糖、碱基等位点合成CDN类似物。非核苷酸激动剂可以避免CDN的不足，并且保存成本低，适用于工业生产，目前大约有5,6-二甲基呫吨酮-4-乙酸(DMXAA)，黄酮乙酸(FAA)，10-羧甲基-9-吖啶酮(CMA)等六种非核苷酸激动剂；DMXAA和FAA是类黄酮，在黑色素瘤、胶质瘤和非小细胞肺癌的小鼠模型中被发现可诱导肿瘤消退或有时可治愈[42-43]。2018年，Ramanjulu等[44]报道了一种基于氨基苯并咪唑(ABZI)设计具有全身抗肿瘤作用的小分子STING激动剂，ABZI与STING的C端结构域结合，每个STING二聚体结合两分子ABZI，得到一个二聚体配体 (di-ABZI)，与STING的结合能力较于ABZI提升了近1 000倍，进一步研究发现，di-ABZI对STING的激活呈剂量依赖性，80%的小鼠在研究结束后保持无肿瘤，di-ABZI是首个非核苷酸类的有效的人类STING激动剂，成为靶向 STING 的肿瘤免疫治疗领域的里程碑分子。

表1 以STING为靶点的小分子激动剂Table 1 Small molecule agonists targeting STING

STING抑制剂在炎症性疾病和自身免疫性疾病的治疗中发挥着重要作用，因此合理开发有效靶向STING的抑制剂显得尤为重要，STING的抑制剂可分为共价抑制剂和非共价抑制剂(表2)。STING蛋白N端的第88位和第91位半胱氨酸的棕榈酰化对STING的激活至关重要，利用硝基呋喃衍生物(C-176和C-178)和二氧化氮可以共价STING的Cys91以抑制棕榈酰化，从而导致通路失活[45]；吲哚脲(H-151)具有抗人和小鼠STING的活性，在各种细胞分析中，Ⅰ型干扰素应答的降低，TBK1磷酸化的抑制和STING Cys91棕榈酰化的抑制证明了这一点[46]。开发竞争性抑制剂减少激动剂与STING的结合也能够控制STING的活化，从药用植物紫菀根茎中分离的环肽Astin C与STING特异性较高，能够与CDN和2′,3′-cGAMP竞争性结合STING，从而减少IRF3的募集，抑制STING信号通路[47]。Huffman等[48]进行了一项基于细胞表型的cGAS-STING通路抑制剂筛选，筛选出4个丁烷内酯异二聚体，利用其中一种化合物处理THP-1细胞，受dsDNA刺激后Ⅰ型IFN诱导减少，尽管已经证明该化合物可以调节cGAS-STING途径，但尚未清楚其确切的作用机理。STING是有效的免疫调节剂，因此，可以通过开发安全有效的STING激动剂和抑制剂作为一种有效的免疫疗法策略。

表2 以STING为靶点的小分子抑制剂Table 2 Small molecule inhibitors targeting STING

4 展 望

本文总结了STING信号通路的活化机制、STING信号通路在病毒感染、自身免疫性疾病、神经系统疾病和肿瘤中的作用以及病毒和肿瘤对该信号通路的调控机制，并对靶向STING的小分子激动剂和抑制剂进行了介绍。近年来，关于STING多种免疫途径的研究已取得巨大进展，cGAS-STING信号通路也被确认为细胞质DNA识别的主要途径。宿主可以通过激活STING通路进行抗病毒免疫应答，但STING参与调控RNA病毒感染的具体机制仍需要更深入的研究。STING与自身免疫性疾病的关系非常密切，Ⅰ型IFN在先天免疫中起关键作用，但是，过量产生IFN-Ⅰ会导致异常的免疫反应，从而导致自身免疫性疾病，因此，严格和精细地调节抗病毒先天性免疫信号通路对于宿主保持适当免疫力非常重要。STING在神经系统病理过程中也必不可少，但关于其在神经系统中的调控机制仍需进一步研究。

在肿瘤的发生和发展中，STING起着双重作用，既可以抑制肿瘤，也可以促进肿瘤发展，但这种对肿瘤发生、转移的双向调节机制尚不明确。目前治疗肿瘤直接靶向STING信号途径比更多非特异性且作用广泛的抗细胞因子抗体或靶向关键信号分子的化合物(如TBK1抑制剂)更具有潜在的优势，这样可以保留完整的先天性免疫识别途径，但需要更好地了解治疗所需的最低抑制或激活水平。除了使用激活剂和抑制剂的肿瘤单一疗法外，越来越多的证据表明，STING通路作为一种潜在的药物靶标，可以从根本上促进当前肿瘤及某些疾病治疗的发展，通过将STING途径与手术、放射疗法、化学疗法、免疫疗法等不同治疗方法相结合，最大程度地利用STING在治疗中的积极作用，将负面影响降到最小，获得良好的临床效果，这也是肿瘤治疗中的一种新思路。

基于以上问题，对于STING信号通路在疾病、抗肿瘤和抗病原体中的调节机制仍需要进一步研究，通过监测条件小鼠模型或离体样本中STING的生化标志物，探索STING在疾病发病机理中的致病作用，对STING激活剂和抑制剂在这些领域中的应用也值得继续探索，深入揭示STING信号通路的作用及其调节机制,利用STING途径或者通过抑制、激活STING途径来治疗病毒感染和癌症，减轻自身免疫症状，为临床疾病寻找新的治疗靶点。