寇盟，蔡幸婷，李達諒

（福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117）

cGAS-STING信號通路作為先天免疫重要的組成部分，在抵抗病原體的入侵過程中發(fā)揮著重要的作用。cGAS通過識別病原體DNA激活先天免疫反應，產生一系列抗病毒作用因子，從而抵御病毒感染[1]。越來越多的證據表明，cGAS的過度活化是自身免疫炎癥性疾病發(fā)生的誘因。細胞中DNA主要存在于細胞核和線粒體中，在某些病理條件下，自身DNA進入細胞質并在細胞質中積累，從而持續(xù)性激活cGAS-STING信號通路，誘發(fā)自身免疫性疾病的發(fā)生[2]，而抑制cGAS-STING級聯(lián)反應可以緩解自身免疫性疾病患者的癥狀。研究表明，巨噬細胞處理壞死的腫瘤細胞過程中，巨噬細胞cGAS-STING通路應答腫瘤細胞DNA，激活機體抗腫瘤免疫反應。此外，cGAS-STING和細胞衰老、癌癥之間的調控關系已相繼被揭示[3,4]。因此，開發(fā)調控cGAS-STING信號通路的小分子藥物對病毒感染、自身免疫性疾病和腫瘤等疾病的治療具有重要意義。本綜述總結了近年來靶向調控cGAS-STING信號通路的小分子化合物抑制劑及激動劑，為靶向cGAS-STING通路的臨床用藥提供借鑒。

1 cGAS-STING 信號通路

1.1 環(huán)GMP-AMP合成酶cGAS

cGAS屬于核苷酸轉移酶（Nucleotidyltransferase,NTase）家族，包含1個核苷轉移酶結構域和2個DNA結合結構域，其中核苷酸轉移酶結構域是cGAS識別DNA并催化產生2’3’-cGAMP的必需結構域[5]。在沒有DNA刺激的情況下，cGAS以自我抑制的狀態(tài)存在，當細胞質中出現(xiàn)異常的dsDNA分子時，包括DNA病毒以及逆轉錄病毒的核酸或者細胞核及線粒體損傷產生的DNA，cGAS會與其結合，形成一個2∶2的復合物[6]。這導致了cGAS活性位點的構象改變，從而誘導轉化三磷酸鳥苷（GTP）和三磷酸腺苷（ATP）形成2'3'環(huán)GMP-AMP（cGAMP）[7]。cGAMP作為第二信使，與位于內質網膜上的接頭蛋白STING結合，使其構象發(fā)生變化，進而激活STING[8]，接著STING從內質網通道進入高爾基體中，在這個過程中，STING的羧基末端招募并激活TANK結合激酶 1（TANK-binding kinase 1，TBK1），激活的TBK1會磷酸化干擾素調節(jié)因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3），活化的IRF3易位到細胞核中并誘導I型IFN的表達[9]。同時，STING通過IκB激酶（IKK）的活性來激活轉錄因子（NF-κB），使NF-κB進入細胞核，與IRF3等轉錄因子共同作用，誘導干擾素和炎性細胞因子如TNF、interleukin 1β(IL-1β)、IL-6的表達[6]。

1.2 DNA識別通路的接頭蛋白STING

STING又稱為TMEM 173/MITA或ERIS，屬于細胞內質網膜上跨膜接頭蛋白，是I型干擾素產生過程中的重要接頭蛋白，通過識別2'3'-cGAMP來激活下游信號通路[10]。在結構上，STING由氨基端的4個跨膜結構域和梭基末端結構域（Carboxyl-terminal domain，CTD）組成，并通過TM1-4錨定在內質網膜上[11]。C末端尾（Carboxy-terminal tail，CTT）與c-di-GMP結合結構域（c-di-GMP binding domain，CBD）相結合使STING在內質網（ER）上處于非活性狀態(tài)[12]，當cGAMP與STING結合后，引起了STING構象改變，從而導致STING通過ER與高爾基體中間區(qū)（ERGIC）進行運輸[13,14]。最近，低溫電子顯微鏡揭示了cGAMP激活STING的機制[15]，cGAMP結合到STING的配體結合域導致了相對于跨膜結構域180個構象的改變，使得STING寡聚化和易位。這種STING的易位使C末端能夠插入位于支架和二聚化結構域[15]以及相鄰TBK1亞基的激酶域之間的TBK1的凹槽中[16]。STING寡聚作用對TBK1的激活至關重要，因為它可以使相鄰的TBK1分子發(fā)生反式自磷酸化，而由于幾何分子的限制，這一過程在其他情況下是不可實現(xiàn)的[9]。TBK1使STING的C末端磷酸化[16]，為IRF3提供了一個對接位點，使被TBK1磷酸化激活的IRF3形成二聚體，并在激活后進入細胞核，與靶基因啟動子結合，激活包括I型干擾素在內的基因轉錄[17]。I型干擾素會誘導干擾素刺激基因（ISGs）的表達，在抗病毒應答中起關鍵作用。

由于cGAS-STING信號通路對于機體先天免疫的重要性，接下來本文將從以下2方面進行介紹。

圖1 cGAS-STING通路

2 cGAS-STING通路的直接調控

2.1 cGAS的小分子抑制劑

細胞中DNA通常被嚴格限制在細胞核和線粒體中，病毒侵染進入細胞質中病毒DNA具有很強免疫刺激性[18]，能被cGAS快速檢測到，從而引發(fā)抗感染的免疫反應[19]。然而，自身DNA也會在細胞質中積累，造成cGAS慢性激活，導致嚴重的自身免疫性疾

病，目前尚無有效的治療方法。在由TREX1的功能喪失引起的系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）和Aicardi Goutières等炎性疾病模型中，cGAS的敲除能夠有效地挽救這些致死性的自身免疫疾病，使其成為治療這些疾病的理想靶點[2]。因此，越來越多的研究小組致力于開發(fā)cGAS抑制劑。以往的cGAS抑制劑的藥物化學性質和生物學效應在其他綜述中已詳細討論，在這里僅進行歸納不再進行綜述[20]。cGAS的抑制劑見表1。

表1 cGAS小分子抑制劑

最近報道了2種人類cGAS（hcGAS）抑制劑，Rosaura等人[21]基于hcGAS的蛋--蛋白接口（proteinprotein interface，PPI）為靶點，針對cGAS/dsDNA復合物的藥物文庫進行高通量篩選來識別新的hcGAS小分子抑制劑。研究表明，CU-32和CU-76選擇性地抑制人類細胞中的DNA通路，對RIG-I-MAVS或Toll樣受體通路沒有影響。2種化合物都呈劑量依賴性，IC50分別為CU-32[IC50=(0.66±0.10)μm]和CU-76[IC50=(0.27±0.06)μm]。這類小分子為開發(fā)具有潛在治療應用的hcGAS抑制劑提供了一個新的化學支架，也為研究人類細胞中cGAS生物學和cGAS相關疾病提供了有效的小分子化學探針。

2.2 STING的小分子調節(jié)劑

2.2.1 STING的小分子抑制劑

STING的持續(xù)活化已被認為與單基因自炎性疾病的發(fā)病機制有關，如Aicardiu-goutieres綜合征和STING相關性血管病變，起病于嬰兒期[22]。最近，越來越多的證據表明，STING在一系列更復雜的炎癥疾病中起致病作用[23]，因此，STING是一個有吸引力的治療干預靶點。STING抑制劑的藥物化學性質和生物學效應在其他綜述中已詳細討論，在這里不再進行綜述[24]。STING 的抑制劑見表2。

表2 STING小分子抑制劑

2.2.2 STING的小分子激動劑

激活cGAS-STING通路可以增強機體的免疫應答。最近發(fā)現(xiàn)了幾種STING的激動劑，見表3。

Shi等人[25]，通過基因組采集和生物合成的方法，發(fā)現(xiàn)新的含肉桂?；姆呛颂求w肽（Cinnamoylcontaining nonribosomal peptides，CCNPs），從而從公共細菌基因組數(shù)據庫中識別出51個假定存在的CCNP基因簇。在對菌株進行優(yōu)先排序后，發(fā)現(xiàn)了一類新的C C N P 型糖肽， 命名為吉他霉素（kitacinnamycins），其中kitacinnamycins 8對STING表現(xiàn)出較強的激活能力。

Ramanjulu等人[26]使用放射標記的cGAMP和hSTING進行了競爭結合實驗，報道了一種新型的氨基苯并咪唑（ABZI）的STING激動劑，該激活劑對STING亞基具有一定的結合親和力，二聚后通過連接劑4碳丁烷（di-ABZI）使其結合的親和力明顯增強。此外，在人類PBMCs樣本中，對di-ABZI誘導劑量依賴性激活STING和分泌產生的IFN-β進行分析評估半最大濃度（EC50）為130 nM。該小組已經在具有免疫能力的同基因結腸腫瘤小鼠中測試了STING的激動劑di-ABZI的抗腫瘤活性，靜脈給藥后結果顯示腫瘤體積在徹底持久地消退。同樣，最近一篇研究報道中的化合物24b，是一種氨基苯并咪唑的衍生物（EC50值為0.287μm），對建立的同系結腸腫瘤小鼠經靜脈給藥后也展現(xiàn)了顯著的抗腫瘤作用[27]。 Pan等人[28]，通過高通量細胞的表型篩選，鑒定了一種口服的非核苷酸的作用于人類和小鼠的STING的小分子激動劑，稱為MSA-2。在同基因小鼠腫瘤模型中，皮下和口服MSA-2均耐受良好，可刺激腫瘤中IFN-β的分泌而誘導腫瘤消退，具有持久的抗腫瘤免疫，并能夠協(xié)同抗PD-1的治療。實驗和理論分析表明，MSA-2在溶液中以互轉化單體和二聚體這2種形式存在，但只有二聚體形式能夠與STING結合并激活STING。因此，用合成共價模型對MSA-2二聚體進行了驗證，發(fā)現(xiàn)MSA-2二聚體確實是STING的強有力的激動劑。此外，還發(fā)現(xiàn)在酸性腫瘤微環(huán)境中，MSA-2的細胞效能隨著細胞外酸化而增強。以上這些特性都證明了MSA-2是一個適用于臨床應用的有價值的STING激動劑。

表3 STING小分子激動劑

Emily等人[29]使用cGAS-STING通路靶向細胞表型篩選方法來鑒定功能性非核苷酸STING小分子激動劑，發(fā)現(xiàn)了小分子SR-717，SR-717用0.18 nm共晶結構與h-STINGR232結合，是一種能夠模擬cGAMP與STING結合方式的小分子激動劑，能夠誘導STING的“封閉”構象。通過對重組人和小鼠STING （hSTING和mSTING）的蛋白熱轉移進行分析，SR-717可直接與靶點結合產生活性，展現(xiàn)跨物種活性和人類等位基因特異性。因此，SR-717表現(xiàn)出抗腫瘤活性和促進相關組織中CD8+ T細胞、自然殺傷細胞和樹突狀細胞的活化的功能，并促進了抗原的交叉啟動。SR-717以STING為靶點誘導了相關基因的表達，包括程序性細胞死亡配體1（PD-L1），這對于臨床試驗具有重要的意義。

2.3 IRF3的小分子抑制劑

雷公藤紅素（Celastrol，化學結構見圖2）是從藥用植物雷公藤中分離出來的最有效的生物活性分子之一，因其對包括系統(tǒng)性紅斑狼瘡和Aicardian -Goutieres綜合征，或其他干擾素疾病在內的各種慢性疾病的潛在治療價值而聞名。然而雷公藤紅素潛在的作用機制尚不清楚。我們課題組發(fā)現(xiàn)雷公藤紅素在體內外抑制干擾素調節(jié)因子3（IRF3）的激活，從而下調由細胞質DNA引發(fā)的干擾素反應。并且觀察到雷公藤紅素可以有效地抑制外源DNA誘導的IFN反應，IC50值為(145.7±23.6)nm。此外，用雷公藤紅素治療可顯著改善TREX1-/-自身免疫性疾病小鼠模型的自身免疫表型，包括心肌炎、干擾素異常反應和自身抗體的產生，以及T細胞的過度激活。因此，雷公藤紅素可抑制自身DNA介導的免疫反應，并具有治療自身免疫性疾病以及干擾素相關疾病的潛力[30]。

圖2 雷公藤紅素化學結構

3 cGAS-STING信號通路的間接調控

3.1 靶向BAF間接調控cGAS-STING信號通路

Guey等人[31]在各種細胞系中發(fā)現(xiàn)了BANF1編碼的自整合障礙因子1（BAF）的下調可以引發(fā)強烈的干擾素應答。BAF是一種染色質結合蛋白，在有絲分裂結束時對核膜重組至關重要。研究者們通過使用單分子全內反射熒光（smTIRF）顯微鏡實時可視化監(jiān)測發(fā)現(xiàn)BAF可以動態(tài)取代瞬時結合到cGAS單體上的dsDNA。這種機制抑制了cGAS-STING信號通路的激活，限制了異常的免疫反應，因此，通過抑制BAF來激活cGAS-STING信號通路，可能是一種有效的抗腫瘤策略。

Wanil Kim等人[32]發(fā)現(xiàn)Obtusilactone B（化學結構見圖3）是一種丁醇內酯衍生物，純化自珍珠繡線菊，可以作為BAF的小分子抑制劑，通過抑制牛痘相關激酶1（VRK1）介導的-礙-自整合因子（BAF）的磷酸化來調控BAF。其與BAF的特異性結合抑制了VRK1介導的BAF磷酸化和隨后的DNA核膜解離，從而使BAF失活。另外，Seong-Hoon Kim等人[33]從豆科叢中分離到brazilin（化學結構見圖3），證明它在體外和體內都抑制了BAF的磷酸化，同樣通過抑制VRK1介導的BAF磷酸化從而使其失活。因此，有證據表明Obtusilactone B和brazilin可以作為一種間接調控cGAS-STING信號通路的候選小分子化合物。

3.2 靶向HER2間接調控cGAS-STING信號通路

Wu等人[34]通過雙熒光素酶檢測系統(tǒng)篩選到了酪氨酸激酶受體HER2（又稱ErbB-2或Neu），發(fā)現(xiàn)HER1能有效抑制cGAS-STING信號通路。抑制機制主要是通過HER2胞內的結構域（ICD）與STI緊結合結合，同時活化后的HER2能夠招募下游蛋白激酶AKT1，將AKT1引入STING后，在S510位點磷酸化TBK1，進而阻礙了STING與TBK1復合物的形成和TBK1 K63連接泛素化，從而衰減了STING信號。HER2減弱了由細胞質DNA傳感引起的抗病毒防御，因此通過抑制HER2可能有效地激活cGAS-STING信號通路。

圖3 間接調控cGAS-STING信號通路的候選小分子化合物

Kulukian等人[35]報道了一種新型的、高選擇性的可口服靶向HER2的小分子抑制劑tucatinib（化學結構見圖3），在生化和細胞信號轉導實驗中，tucatinib以納米級效價抑制HER2激酶活性。故，可以通過tucatinib抑制HER2，進而間接調控到cGAS-STING信號通路。

4 結論與展望

近年來相關研究已經證明了cGAS-STING通路在抵抗細菌、病毒入侵和腫瘤生成方面的重要作用，因此，靶向cGAS-STING信號通路激活先天免疫，增強機體的免疫性能被科學領域認為是治療癌癥的希望。但cGAS-STING通路的異常激活，是引發(fā)炎癥和自身免疫性疾病的主要誘因，如心血管疾病、炎癥性腸病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、關節(jié)炎和牛皮癬等，因此研究開發(fā)cGAS-STING信號通路的有效且有選擇性的激動劑和抑制劑藥物是一項重要的任務。

同時，發(fā)現(xiàn)間接調控該通路的小分子化合物也將成為研究的熱點，最近核小體抑制cGAS的機制[36-40]和環(huán)狀RNA抑制cGAS-STING信號通路[41]被相繼報道，鑒于此調節(jié)核小體和環(huán)狀RNA的小分子可能會成為調控cGAS-STING信號通路的候選藥物。

目前，在發(fā)現(xiàn)靶向cGAS-STING信號通路的藥物方面有著較大進展，但是在對該通路的認識和調控能力方面還處于初級階段，我們仍面臨著許多的問題和挑戰(zhàn)。在微生物感染和自身免疫性疾病的背景下，細胞質中的cGAS如何選擇性的感知危險DNA，從而被有效激活的疑問仍然存在。cGAS活性的調控因子以及cGAMP是如何結合并誘導STING的激活，目前還沒有明確的線索。STING是如何轉運和降解以及激活下游激酶和轉錄因子的機制，還需要更深入的研究。

我們期望在未來可以看到在針對性調節(jié)cGASSTING信號通路的激活等各個方面有突破性的進展，并出現(xiàn)更多有效的藥物用于臨床治療。