沈 琴，徐平龍，2，3，4，梅 陳，3

1. 浙江大學生命科學研究院，浙江 杭州 310058

2. 浙江大學生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與保護教育部重點實驗室 浙江省癌癥分子細胞生物學重點實驗室，浙江 杭州 310058

3. 浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心智能醫(yī)藥研究所，浙江 杭州 311200

4. 浙江大學癌癥研究院，浙江 杭州 310058

染色體不穩(wěn)定是指細胞在持續(xù)有絲分裂過程中發(fā)生染色體的錯誤分離，導致染色體結構或數目異常的現象，被視為人類腫瘤的重要標志。60%~80%的人類腫瘤細胞存在染色體不穩(wěn)定［1］。染色體不穩(wěn)定與腫瘤分期呈正相關，在復發(fā)以及轉移的腫瘤灶中高頻率發(fā)生［2-4］，提示其與腫瘤的轉移、治療耐藥性和免疫逃逸等密切相關。理解染色體不穩(wěn)定如何調控腫瘤轉移、治療耐藥性以及免疫逃逸的分子機制，對于深入理解腫瘤的發(fā)生發(fā)展以及發(fā)現腫瘤新的治療靶點均具有重要意義。近年研究發(fā)現，染色體不穩(wěn)定產生的微核在破裂后，其微核基因組DNA在細胞質中暴露，進而被天然免疫系統(tǒng)中的cGAS-STING 信號通路所識別［5］。這一發(fā)現將染色體不穩(wěn)定與免疫系統(tǒng)的活化聯(lián)系在一起，為我們理解染色體不穩(wěn)定提供了一個全新的視角。值得注意的是，cGAS-STING信號通路在腫瘤細胞中活化后的功能并不是單一的，具有多樣性和復雜性。本綜述將系統(tǒng)探討微核的形成、破裂及其被cGAS-STING 信號通路所識別的分子機制，以及微核活化的cGAS-STING信號通路在腫瘤發(fā)生中的功能。這對于靶向微核和cGAS-STING 信號通路抗腫瘤藥物的研發(fā)和臨床應用具有重要指導意義。

1 cGAS-STING信號通路

1.1 cGAS-STING信號通路的活化

在真核細胞中，為確保生命活動的正常進行，DNA 作為遺傳物質受到嚴格的區(qū)域化調控，包括包裹在線粒體中的mtDNA，以及細胞核中的基因組DNA。因此，任何出現在細胞質中的dsDNA，包括來源于外源感染的微生物DNA、內源泄露的mtDNA、逆轉錄元件異?；罨a生的dsDNA 以及微核破裂暴露的基因組DNA，均會被宿主視為DAMP。DNA 感受器cGAS 負責識別上述異常的dsDNA。cGAS 與dsDNA 結合后形成二聚化結構，線性聚集在dsDNA 上并發(fā)揮活性［6］。cGAS 的活性高度依賴于其氨基端的無規(guī)則序列與dsDNA 的相互作用，這種相互作用通過液-液相分離的方式發(fā)生［7］，而Trex1 會抑制cGAS 與dsDNA 形成液-液相分離，進而抑制cGAS 的活性［8］。在分裂間期，cGAS 主要定位于細胞核內，這可能是因為當細胞進入有絲分裂期，細胞核膜解聚，染色體暴露在細胞質中，會誘導cGAS 在染色體上富集。當細胞進入有絲分裂末期，新的核膜再次形成，從而cGAS 被包裹限制在細胞核中。然而，當異常dsDNA 在細胞質中積累時，cGAS 會經核孔復合體再次出核［9］，其具體分子機制尚未完全明確。分裂間期以及有絲分裂期結合在染色體上的cGAS 為何沒有激活，這是cGAS 活性研究的重要問題。目前，多個研究已經證實，染色質組成的最小單位核小體與cGAS 的結合能力遠強于裸露dsDNA 與cGAS 的結合，因此核小體會競爭性與cGAS 結合，從而抑制cGAS 活化［10-16］?；罨腸GAS 利用腺苷三磷酸和鳥苷三磷酸生成第二信使cGAMP，cGAMP 進而與內質網跨膜蛋白STING 結合，誘導其蛋白構象改變和活化，激活PERK-EIF2α 信號通路抑制翻譯［17］。同時，STING可作為質子通道蛋白誘導微管相關蛋白輕鏈3B 的脂化和NLRP3 炎癥小體的活化［18］。此外，STING 經膜泡運輸［19］轉運至內質網-高爾基體中間體，再轉運至高爾基體，在高爾基體上經棕櫚酰化［20］和硫酸化糖胺聚糖修飾［21］，招募活化下游核心激酶TANK 結合激酶1，繼而活化轉錄因子IRF3，介導Ⅰ型干擾素信號通路的活化，同時STING 也會協(xié)助經典/非經典NF-κB 信號通路的激活。最終STING 會被轉運至溶酶體誘導凋亡發(fā)生，并在溶酶體中降解，從而中止信號［19］。因此，STING 在亞細胞器中的定位對其蛋白活性和所承擔的功能起著決定性的作用。

1.2 cGAS-STING信號通路抑制或促進腫瘤

由cGAS-STING 介導的Ⅰ型干擾素信號通路的激活在其抗腫瘤作用中扮演著重要的角色。在腫瘤微環(huán)境中，Ⅰ型干擾素信號通路介導免疫細胞如樹突狀細胞、T 淋巴細胞、NK 細胞的活化和招募［22-27］，NF-κB 信號通路能夠協(xié)同Ⅰ型干擾素信號通路增強NK 細胞活性，從而協(xié)同抑制腫瘤的生長［28］。值得一提的是，在腫瘤微環(huán)境中，除了免疫細胞和腫瘤細胞外，基質細胞中STING活化誘導的炎癥信號通路同樣能夠重塑免疫微環(huán)境，并以誘導腫瘤細胞壞死的方式直接抑制腫瘤生長［29］。最新研究發(fā)現，腫瘤細胞中的STING通過與己糖激酶2 的相互作用抑制有氧糖酵解，促進腫瘤微環(huán)境中CD8+和CD4+T細胞的招募，進而抑制腫瘤生長［30］。細胞衰老是正常細胞癌變過程中的重要阻礙。衰老細胞中cGAS-STING 信號通路的活化一方面介導了SASP 釋放，誘導免疫細胞浸潤，促進腫瘤免疫，清除衰老細胞［31-33］；另一方面介導了IRF3-RB 復合體的形成，阻滯細胞周期，從而抑制腫瘤細胞的生長（將發(fā)表的研究成果）。而逃逸了衰老命運的細胞在其演化為腫瘤細胞的進程中仍會遇到其他障礙，如復制危機。伴隨端粒損傷激活的cGAS-STING 信號通路以炎癥非依賴的方式介導自噬的發(fā)生，對進入復制危機的異常細胞進行清除［10］。

盡管cGAS-STING 信號通路具有上述抑制腫瘤細胞生長和促進腫瘤免疫的功能，但腫瘤細胞會采取一系列的措施抑制cGAS-STING 信號通路的正常活化：如促癌蛋白HER2 通過招募下游蛋白激酶B 與STING 形成復合物，有效抑制cGASSTING 信號通路［34］；Ⅱ型神經纖維瘤中重要的驅動蛋白Merlin 的點突變能夠通過“功能獲得性”的方式招募IRF3 形成復合體，經由液-液相分離的方式抑制IRF3入核，從而阻斷STING下游信號通路的正常激活［35］。上述促癌蛋白HER2 和Merline 點突變對STING 活化的抑制均促進腫瘤細胞生存以及化療耐藥性產生。

近年來有大量研究表明，cGAS-STING 信號通路還具有促進腫瘤細胞存活、產生抗腫瘤耐藥性以及免疫抑制的功能。cGAS-STING 信號通路的激活引發(fā)了非經典NF-κB 信號通路活化，進而釋放IL-6 來介導STAT3 信號通路的活化，從而促進腫瘤細胞存活以及耐藥性產生［36］。活化的非經典NF-κB 信號通路同樣能夠促進腫瘤轉移。此外，持續(xù)的炎癥能夠誘導免疫抑制的腫瘤微環(huán)境［37］。Ca?adas 等［38］研究表明，在小細胞肺癌中，內源逆轉錄病毒異常活化，激活MAVS 和STING介導的慢性炎癥；慢性炎癥上調程序性死亡受體配體1，從而營造免疫抑制的腫瘤微環(huán)境。最新研究發(fā)現，STING 長期活化能夠重塑下游信號通路，激活內質網應激信號通路，誘導免疫抑制的腫瘤微環(huán)境［39］。已有研究證實，STING 活化能夠促進B 細胞中IL-35 表達上調，與NK 細胞上受體相結合，抑制NK 細胞的增殖及抗腫瘤活性，同樣有助于營造免疫抑制的腫瘤微環(huán)境［40］。腫瘤移植實驗證明，腫瘤細胞能夠通過釋放cGAMP 激活腫瘤微環(huán)境中T 淋巴細胞中的STING 信號通路，以Ⅰ型干擾素非依賴的方式高效誘導T 淋巴細胞死亡，導致T淋巴細胞耗竭，從而造成免疫逃逸［41-42］。此外，非典型NF-κB 信號通路或者持續(xù)的Ⅰ型干擾素信號通路活化能夠抑制樹突狀細胞活性，招募免疫抑制髓系細胞，營造免疫抑制的腫瘤微環(huán)境［43-45］。

2 細胞微核

2.1 細胞微核的形成

有絲分裂末期，因錯誤分離而滯留在紡錘體中央區(qū)域的整條染色體或染色體片段具有招募核膜的能力，形成獨立于細胞核的包裹染色體的膜結構稱為微核（圖1）。微核的形成常常與有絲分裂的中斷和持續(xù)的DNA損傷有關，但有研究表明其在健康組織中也低豐度存在［46］。此外，微核的染色體具有傾向性，近核膜分布、體積較大的異染色質更傾向于形成微核，這些異染色質在S期復制時表現出滯后性，從而更容易發(fā)生DNA復制缺陷和錯誤，這種復制的不完整性進一步影響了染色體的正確折疊和組裝，導致紡錘體微管無法準確捕獲和分離姐妹染色單體，最終導致微核的形成［47］。

圖1 微核形成示意圖Figure 1 Formation of micronucleus

2.2 微核核膜的破裂及修復

不同于細胞核，微核是一種極不穩(wěn)定的亞細胞結構，其核膜傾向于不可逆的破裂。在多種細胞系、肺癌患者和哺乳動物早期胚胎中都觀測到微核破裂的現象［48-51］。在微核核膜破裂前，微核如同細胞核一般，能夠招募核膜結構，包括核孔復合體，并且能夠啟動DNA 轉錄、DNA 復制和DNA 損傷修復等［52-54］。然而部分微核核膜由于缺乏核孔復合體的裝配，導致其喪失核功能［55］。微核核膜破裂后會丟失大量核蛋白，同樣導致其喪失核功能［56］，并抑制組蛋白的翻譯后修飾［57］。與此同時，破裂的微核會發(fā)生大量的DNA 損傷［56，58-59］，這是因為破裂的微核會迅速啟動核膜修復機制，招募內質網膜到破損的區(qū)域，因而導致黏附在內質網膜上的核酸外切酶Trex1 在微核上富集，對微核基因組DNA 進行切割，造成大量DNA末端損傷，隨后招募DNA損傷修復復合體進行修復［59］，最終導致微核基因組DNA產生大量的突變和重組。關于破裂微核的命運仍存在爭議。一種解釋是破裂的微核在細胞質內持續(xù)存在，直至進入下一輪有絲分裂周期［53，57］，在這個過程中，細胞核膜解聚，微核基因組DNA 會重新融到細胞核基因組DNA中。然而，這一過程可能為腫瘤基因組導入大量的突變和重組，引發(fā)染色體碎裂［52，58，60］。這些突變和重組為腫瘤細胞提供了天然的篩選庫，促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展以及耐藥性的產生。值得一提的是，容納了微核基因組DNA 的細胞在后續(xù)有絲分裂中會傾向于新微核的形成［51，54］。另一種解釋是破裂的微核在細胞質中會逐步碎裂成染色質片段［2］。也有認為破裂的微核會以cGAS依賴的方式發(fā)生溶酶體介導的降解［61］。微核的破裂過程如圖2所示。

圖2 微核破裂過程示意圖Figure 2 Rupture of micronucleus

與細胞核核膜破裂一樣，微核核膜破裂之前連續(xù)的核纖層上會出現間隙［1］，核纖層間隙的產生是核膜破裂的必要條件［1，62］。過表達核纖層蛋白B1或B2能夠抑制微核的破裂。有絲分裂末期便可以觀測到微核核膜上核纖層間隙的形成，但微核核膜并不會立刻破裂，微核核膜的破裂一般高頻率地發(fā)生在微核形成后的幾小時，甚至少部分微核可以一直保持完整。當前研究表明，決定微核核膜破裂的主要因素是膜曲率和基于肌動蛋白的物理擠壓，總的來說，較小微核的膜曲率較大，因此更易破裂［57，63］。有研究表明抑制肌動蛋白纖維束能夠阻礙微核的破裂［56］，可見較大微核的破裂可能需要基于肌動蛋白的物理擠壓。此外，微核中捕獲染色體的長度和基因密度是微核核膜穩(wěn)定性的關鍵因素，并決定了微核破裂的時間；其中19 號染色體是人類最小的染色體之一，也是基因密度最高的染色體，因此捕獲了19號染色體的微核也是最穩(wěn)定的［64］。細胞核膜發(fā)生破裂時，只需幾分鐘便會被修復完整［65-67］，即使有少部分破裂會持續(xù)幾小時但最終也會被修復［68-70］。然而微核核膜的破裂幾乎是不可逆的［57］。Vietri 等［71］發(fā)現，微核體積較小，可能導致其缺乏限制染色質修飾蛋白CHMP7-LEM 結構域核膜蛋白2 積累的能力，因此介導核膜修復的內體分選轉運復合體Ⅲ復合物過度活化，造成微核核膜變形，最終誘使微核核膜碎片化。破裂的微核雖然能夠迅速啟動核膜修復系統(tǒng)，確保了細胞核膜的快速精準修復，但微核破裂時失控的核膜修復機制會引起微核不可逆破裂，最終誘導基因組染色體碎裂，為基因組穩(wěn)定帶來災難性后果。

3 微核破裂與cGAS-STING 信號通路激活的相關性

染色體錯誤分離形成的微核，在形成之初仍是由核膜包裹將染色體隔絕的區(qū)域化結構。但伴隨微核核膜破裂，微核基因組DNA區(qū)域化結構消失，導致其暴露在細胞質中［57］。cGAS 作為DNA 感受器，能夠迅速感知暴露在細胞質中的微核基因組DNA，在微核上富集活化，合成第二信使cGAMP，誘導STING 蛋白活化，介導下游炎癥信號通路的激活，包括Ⅰ型干擾素信號通路、經典/非經典NF-κB 信號通路以及SASP［2，37，72-74］。H?rtlova 等［5］研究表明，過表達核纖層蛋白B2 阻止微核破裂能夠阻斷cGAS-STING 介導的炎癥信號通路的活化，證明破裂的微核可激活cGASSTING 信號通路。Bakhoum 等［2］利用染色體示蹤實驗證明了破裂微核中的染色質會逐步碎裂成細胞質DNA，這為微核基因組DNA 能夠活化cGAS 提供了直接證據。在微核核膜破裂之初，微核基因組DNA 仍保持著由核小體作為最小單位組裝而成的染色質結構，即使cGAS 在破裂微核上富集，其活性仍會被核小體所抑制。但伴隨著微核染色質逐步碎裂成細胞質DNA，完整的核小體結構喪失，這為cGAS 活性的釋放提供了可能。此外，Mackenzie 等［73］對含有微核的核糖核酸酶H2 亞基A 缺失的原代成纖維細胞進行了流式分選以及單細胞測序，首次在單細胞水平證明了微核的形成與cGAS-STING 信號通路的激活具有直接相關性，即只在包含微核的細胞中檢測到cGAS-STING信號通路活化。

4 微核活化的cGAS-STING 信號通路與腫瘤免疫

4.1 微核活化的cGAS-STING 信號通路在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

Senovilla 等［74］研究發(fā)現，腫瘤細胞復雜的核型能夠激活腫瘤細胞自身和T淋巴細胞介導的抗腫瘤免疫系統(tǒng)，抑制腫瘤生長，因此認為染色體不穩(wěn)定與免疫激活存在直接的相關性。Santaguida等［33］發(fā)現，染色體不穩(wěn)定能夠導致腫瘤細胞周期阻滯以及衰老的發(fā)生，同時經由cGAS-STING 信號通路活化NK 細胞介導對腫瘤細胞的殺傷。此外，在促癌基因RAS驅動的腫瘤細胞中，細胞質染色質碎片激活的cGAS-STING 通路會顯著促進免疫系統(tǒng)介導的腫瘤細胞清除［75］。微核對cGASSTING信號通路的活化將染色體不穩(wěn)定與腫瘤免疫微環(huán)境的重塑聯(lián)系起來，這也與早期腫瘤發(fā)生過程中腫瘤細胞復雜的核型與染色體錯誤分離從而抑制腫瘤生長結果一致［76-77］。

然而，cGAS-STING 信號通路的持續(xù)激活具有促進腫瘤的作用。在DNA 損傷藥物長期涂抹誘導的小鼠皮膚癌原發(fā)瘤模型中，敲除STING會明顯抑制炎癥信號以及原發(fā)瘤的形成［78］。在三陰性乳腺癌細胞中，染色體的錯誤分離可激活cGAS-STING 信號通路，進而活化非經典NF-κB信號通路，誘導IL-6 釋放以及活化IL-6/STAT3 信號通路，促進了三陰性乳腺癌細胞的存活和耐藥性的產生［37］。最新研究發(fā)現，染色體不穩(wěn)定造成的STING 慢性激活會活化內質網應激信號通路，進而導致腫瘤的免疫逃逸，證明了單次STING 信號通路活化激活的是Ⅰ型干擾素信號通路，而多次STING 信號通路活化激活的是下游的內質網應激信號通路和NF-κB 信號通路，這為腫瘤細胞中Ⅰ型干擾素信號通路的關閉以及STING 下游信號通路的重塑提供了直接證據［40］。

此外，在人乳腺癌和肺癌細胞中，染色體錯誤分離誘導的慢性cGAS-STING 激活能夠通過下游非典型NF-κB 通路的活化介導腫瘤細胞轉移，STING的缺失、抑制微核的形成和破裂、抑制非典型NF-κB 轉錄因子的活性均可以抑制腫瘤細胞的轉移［2］。但一項最新研究發(fā)現，肺腺癌腫瘤細胞中的STING 活化能夠以T 淋巴細胞和NK 細胞依賴的方式抑制休眠腫瘤細胞的復蘇和轉移［79］。因此，在腫瘤發(fā)生發(fā)展的不同階段，STING的激活可能會有截然不同的功能。另外，腫瘤細胞也會以環(huán)境依賴的方式重塑STING 下游的信號通路，以減少STING 活化對腫瘤帶來的不利影響，繼而允許STING 活化維持腫瘤細胞生長、腫瘤轉移和耐藥性的產生。

4.2 微核活化的cGAS-STING 信號通路在腫瘤治療中的作用

廣泛使用的化療藥物如端粒酶抑制劑、PARP抑制劑和TOP2A抑制劑以及電離輻射均可誘導染色體錯誤分離，促使微核形成。除了已知的抗腫瘤機制外，近期研究表明化療藥物誘導微核形成進而活化cGAS-STING 信號通路在其抗腫瘤作用中至關重要。如端粒酶抑制劑能夠誘導復制危機，STING 活化誘導的細胞自噬是清除染色體不穩(wěn)定腫瘤細胞的關鍵機制［10］。同樣，PARP 抑制劑除了抑制復制功能外，其活化的cGAS-STING 信號通路在誘導腫瘤細胞凋亡以及炎癥信號介導的抗腫瘤免疫中扮演著重要角色［80-82］。TOP2A 抑制劑通過cGAS-STING 信號通路誘導細胞衰老的發(fā)生和SASP 的釋放［75］。電離輻射后，腫瘤細胞中的cGAS-STING 信號通路以T 淋巴細胞依賴的方式促進全身抗腫瘤免疫，誘導移植的乳腺癌和黑色素瘤的消退［72，83］。但也有研究發(fā)現，長時間的放射治療過程中，STING 活化的Ⅰ型干擾素信號通路以及非經典NF-κB信號通路通過招募抑制性髓系細胞和抑制樹突狀細胞活性，營造免疫抑制的腫瘤微環(huán)境，從而導致放療耐藥性產生［44-46］。

綜上所述，微核破裂激活的cGAS-STING 信號通路在腫瘤的發(fā)生發(fā)展及治療過程中均扮演著復雜的角色：一方面，有助于清除腫瘤細胞；另一方面，也可能導致腫瘤細胞的免疫逃逸、轉移和存活，如圖3所示。

圖3 微核活化的cGAS-STING信號通路在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用示意圖Figure 3 Role of the micronucleus-activated cGAS-STING signaling pathway in tumorigenesis and development

5 結 語

微核作為不穩(wěn)定的亞細胞器結構，其形成及破裂等一系列生命活動的具體分子機制仍有許多未知之處。微核基因組DNA，一方面會重新融到細胞核基因組DNA中，為腫瘤基因組積累大量突變和重組，導致染色體碎裂，協(xié)助腫瘤細胞的演化發(fā)展；另一方面暴露在細胞質中的基因組DNA激活cGAS-STING信號通路，從而參與腫瘤細胞的演化、免疫逃逸等一系列復雜的腫瘤生命活動。因此，微核和cGAS-STING信號通路可作為腫瘤治療的良好靶標，但應考慮到這兩者功能的復雜性，根據腫瘤的發(fā)生階段以及具體情況制訂可靠的治療方案。此外，破裂的微核除了會暴露出基因組DNA，同時也會特異性釋放某些核蛋白到細胞質中。這些核蛋白在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中扮演的角色及功能未知，或將成為一些新的研究方向。

志謝研究得到國家自然科學基金（31725017，31830052）、國家重點研發(fā)計劃（2021YFA1301401）支持. 文章撰寫過程得到浙江大學實驗動物中心徐令東博士幫助

AcknowledgementsThis work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31725017,31830052), and National Key R&D Program of China(2021YFA1301401). The writing of this article was assisted by Dr. XU Lingdong from the Laboratory Animal Center of Zhejiang University

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

Conflict of InterestsThe authors declare that there is no conflict of interests

?The author(s) 2024. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)