張學(xué)英，黃 溪，吳斐華

（中國藥科大學(xué)中藥學(xué)院中藥藥理與中醫(yī)藥學(xué)系，江蘇 南京 211198）

長期食用高熱量食物或缺乏體育鍛煉等不良生活方式使肥胖、2 型糖尿病、動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）和非酒精性脂肪肝?。╪onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）等代謝性疾病的患病率居高不下。代謝性疾病的發(fā)病機制和治療方案一直是研究的熱點方向。Hotamisligil 等［1］最先將炎癥與代謝聯(lián)系起來，將人體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)過量及其代謝物過量導(dǎo)致的慢性低度炎癥稱為“代謝性炎癥”。在代謝性疾病中，代謝性炎癥和胰島素抵抗（insulin resistance，IR）關(guān)系密切，抑制代謝性炎癥是治療代謝性疾病的有效方案。

環(huán)磷酸鳥苷-磷酸腺苷合成酶（cyclic GMPAMP synthase，cGAS）被認為是哺乳動物細胞中重要的胞質(zhì)DNA感受器，它能結(jié)合雙鏈DNA（double strands DNA，dsDNA）激活干擾素基因刺激因子（stimulator of interferon genes，STING），誘導(dǎo)Ⅰ型干擾素（type 1 interferon，IFN-Ⅰ）和其他炎癥因子的表達［2］。研究表明，cGAS除識別來源于病毒和細菌的dsDNA，還可識別自身細胞的dsDNA。cGAS可識別抗原提呈細胞或腫瘤細胞胞質(zhì)來源的dsDNA觸發(fā)抗腫瘤免疫反應(yīng)，識別細胞核來源的dsDNA觸發(fā)心力衰竭、衰老和自身免疫性疾病等［3］。近期研究表明，cGAS/STING 通路參與代謝性疾病的發(fā)生與發(fā)展，cGAS識別自身線粒體來源的dsDNA觸發(fā)代謝性炎癥［4］。本文重點綜述cGAS/STING 通路與代謝性炎癥之間的聯(lián)系，及其在肥胖、NAFLD、糖尿病心肌?。╠iabetic cardiomy opathy，DCM）、糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）和AS 中的調(diào)節(jié)作用，以期為代謝性疾病的治療提供新思路。

1 cGAS/STlNG通路與代謝性炎癥的關(guān)系

1.1 代謝性炎癥

代謝性炎癥是指在機體代謝紊亂情況下發(fā)生的慢性、低度、無菌性炎癥，與肥胖、2 型糖尿病、AS和NAFLD 等代謝性疾病有密切聯(lián)系［5-7］。IR 是代謝性疾病共同的病理基礎(chǔ)，炎癥信號通路的激活可調(diào)控胰島素信號通路，產(chǎn)生的代謝性炎癥會加重IR。例如，Jun N 端激酶和IκB 激酶β 等可阻斷并減弱下游胰島素信號；白細胞介素6（interleukin 6，IL-6）、腫瘤壞死因子α 和IL-1β 等可促進更多的炎性介質(zhì)釋放誘導(dǎo)IR［8］；Toll 樣受體4 信號激活和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等可降低高脂飲食（high-fat diet，HFD）小鼠的胰島素敏感性［9-10］。IR 會導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化，也可誘導(dǎo)代謝性炎癥發(fā)生，如敲除哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）C2 建立的IR 小鼠模型，脂肪細胞產(chǎn)生IR，單核細胞趨化蛋白1分泌增加，誘導(dǎo)巨噬細胞向M1型轉(zhuǎn)變，進而誘發(fā)炎癥反應(yīng)［11］。

此外，線粒體在產(chǎn)生代謝性炎癥過程中也十分關(guān)鍵。線粒體除通過產(chǎn)生ATP 調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)外，也釋放細胞信號以響應(yīng)環(huán)境和生理的變化［12］。當細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)過剩時，線粒體為適應(yīng)代謝需求會產(chǎn)生大量活性氧，由于線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）缺乏組蛋白保護，極易被活性氧氧化，線粒體中缺乏相應(yīng)的DNA 修復(fù)機制，氧化受損的mtDNA 極易泄漏到線粒體外部［13］。線粒體外部mtDNA 作為一種損傷相關(guān)分子模式激活Toll 樣受體9、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體和cGAS 等多種模式識別受體，在代謝性炎癥產(chǎn)生中充當重要角色［14］。與細胞核內(nèi)DNA 相比，mtDNA 更能抵抗核酸酶降解，在血液循環(huán)中穩(wěn)定存在，是監(jiān)測IR 和代謝性炎癥的潛在生物標志物［15］。血漿中mtDNA通常由機體受損或感染部位釋放，通過血液循環(huán)輸送到全身，參與疾病如AS、急性心肌梗死和心衰等心血管疾病的發(fā)生發(fā)展［16］。研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者骨骼肌中存在大量受損mtDNA，血漿中mtDNA 水平也顯著升高，并伴有全身性炎癥，與IR程度正相關(guān)［17］。因此，在代謝應(yīng)激條件下，有效控制mtDNA泄漏是抑制代謝性炎癥的關(guān)鍵。

1.2 cGAS/STlNG 信號通路

mtDNA 是一種可進行自我復(fù)制的dsDNA，主要呈環(huán)狀或線性分子形式存在于線粒體內(nèi)。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）是mtDNA 轉(zhuǎn)錄和復(fù)制所必需的蛋白質(zhì)。Yan等［18］報道，TFAM 缺乏可促進線粒體應(yīng)激，導(dǎo)致mtDNA 包裝異常，從而被釋放到胞漿中，隨后觸發(fā)cGAS/STING 通路。在心血管疾病和代謝性疾病中，由于線粒體應(yīng)激TFAM 水平降低，大量mtDNA釋放 激 活cGAS-STING 途 徑 而 使 病 情 加 重［19］。Mcarthur等［20］報道，發(fā)生細胞凋亡時，mtDNA從線粒體外層膜上形成的Bak/Bax孔擠出到胞漿。Riley等［21］報道，在非凋亡細胞中，mtDNA片段通過電壓依賴性陰離子通道寡聚物形成線粒體外膜孔釋放。目前，mtDNA 錯誤包裝及泄漏機制受到研究者重視，但mtDNA異位對細胞內(nèi)信號通路的影響還需進一步研究。

cGAS 是位于細胞質(zhì)中的dsDNA 感受器，當mtDNA 從線粒體中泄漏到細胞質(zhì)時，cGAS 可與mtDNA 結(jié)合發(fā)生構(gòu)象改變，使ATP 和GTP 轉(zhuǎn)化為環(huán)磷酸鳥苷-磷酸腺苷（cyclicGMP-AMP，cGAMP）。cGAMP 作為第二信使與STING 分子發(fā)生相互作用，一方面促進STING 從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜傳輸?shù)礁郀柣w招募并激活TANK 結(jié)合激酶1（TANK binding kinase-1，TBK1），TBK1使干擾素調(diào)節(jié)因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）磷酸化，活化的IRF3 形成二聚體后進入細胞核，誘導(dǎo)IFN-Ⅰ轉(zhuǎn)錄［2］。另一方面，cGAMP 與STING 結(jié)合，激活I(lǐng)κB激酶通路，從而增加NF-κB 磷酸化和活化，NF-κB誘導(dǎo)其他細胞因子發(fā)生轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生更多炎癥因子［22］。人類蛋白質(zhì)圖譜分析顯示，cGAS 不僅在大多數(shù)免疫相關(guān)組織/器官（如脾、淋巴結(jié)、扁桃體和胸腺）中高表達，還在許多非免疫相關(guān)組織/器官中表達［23-26］。大量研究發(fā)現(xiàn)，cGAS/STING 信號通路在肥胖、NAFLD、DCM、DN 和AS 等代謝性疾病中均具有潛在調(diào)節(jié)作用。綜上所述，cGAS/STING 信號通路激活可引起代謝性炎癥，且與其對mtDNA感知關(guān)系密切（圖1）。

圖1 cGAS-STlNG 通路與代謝性炎癥的關(guān)系. cGAS：環(huán)磷酸鳥苷-磷酸腺苷合成酶；STING：干擾素基因刺激因子；HFD：高脂飲食；MCD：蛋氨酸和膽堿缺乏；ROS：活性氧；IFN-Ⅰ：Ⅰ型干擾素；TBK1：TANK 結(jié)合激酶1；IRF3：干擾素調(diào)節(jié)因子3；mtDNA：線粒體DNA；IKK：IκB激酶.

2 cGAS/STlNG 信號通路與代謝性疾病的關(guān)系

2.1 cGAS/STlNG信號通路與肥胖

肥胖是由過量能量攝入和（或）低效能量消耗引起的。肥胖會引發(fā)肝、肌肉和脂肪等胰島素靶組織慢性低度炎癥，導(dǎo)致細胞因子和趨化因子過度生成和分泌，觸發(fā)IR［27］。當皮下儲存白色脂肪組織達上限后，熱量超載會導(dǎo)致脂肪異位存儲，如在肝、骨骼肌和心等組織器官中積累，繼而產(chǎn)生代謝性炎癥，誘導(dǎo)相關(guān)代謝性疾病的發(fā)生，該事件通常定義為“脂毒性”［28］。雖大量研究表明，炎癥在肥胖引起的IR 和各種代謝性疾病中起重要作用，但肥胖引起炎癥的確切機制仍不清楚。

Bai 等［29］報道，肥胖誘導(dǎo)脂肪組織中mtDNA 釋放，激活cGAS/STING 通路，位于線粒體基質(zhì)的二硫鍵A 氧化還原酶樣蛋白（disulfide-bond-A oxidoreductase-like protein，DsbA-L）的特異性消融會導(dǎo)致線粒體功能障礙和mtDNA 釋放增加，觸發(fā)cGAS/STING 通路，增強慢性無菌炎癥反應(yīng)，加重肥胖誘導(dǎo)的IR。Bai 等［30］后續(xù)研究報道，脂肪特異性過表達DsbA-L 或敲除STING可保護小鼠免于HFD 誘導(dǎo)的肥胖。在機制上，激活脂肪細胞中cGAS/STING 通路可激活磷酸二酯酶，下調(diào)cAMP水平，減弱蛋白激酶A 信號，從而減少脂肪產(chǎn)熱；抑制cGAS/STING 通路，增加產(chǎn)熱，促進能量消耗，治療小鼠肥胖。Yan等［31］研究表明，IRF3是脂肪細胞中產(chǎn)熱基因表達抑制因子。Kissig 等［32］報道，棕色脂肪細胞中IFN-Ⅰ信號異位激活導(dǎo)致嚴重的線粒體功能障礙和產(chǎn)熱能力降低。這些結(jié)果提示，脂肪組織中cGAS/STING 通路負性調(diào)節(jié)產(chǎn)熱和能量消耗。因此，靶向脂肪cGAS/STING 通路可能是對抗過度營養(yǎng)誘導(dǎo)的肥胖及其相關(guān)代謝性疾病的一種潛在治療策略。

2.2 cGAS/STlNG 信號通路與肝疾病

NAFLD 是指非酒精及其他明確的因素引起過多脂肪在肝細胞中積累的臨床病理綜合征，包括單純性脂肪肝，以及由其演變的非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）及潛在的肝硬化和肝細胞癌［33］。NAFLD 所驅(qū)動的血脂異常、炎癥反應(yīng)和IR 等機制除影響慢性肝病進展外，還參與AS和糖尿病病理過程［34］。

Luo 等［24］報道，cGAS，STING 和IRF3 表達水平在NAFLD 或NASH 小鼠肝中升高，且脂毒性物質(zhì)在肝中過度積累時，會作為刺激物引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。STING 是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上普遍表達的跨膜蛋白，可被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活，促進肝炎癥和纖維化的發(fā)生和進展。此外，Wang 等［35］研究報道，NAFLD 患者肝臟中具有高水平的STING 表達，主要在巨噬細胞中表達，且隨炎癥程度和纖維化程度加重而增加。巨噬細胞STING 信號通路激活增強肝細胞脂肪變性和炎癥反應(yīng)，加重肝星狀細胞纖維化。上述研究表明，cGAS/STING通路的激活參與NAFLD或NASH的發(fā)生。Yu等［36］報道，STING缺乏可緩解小鼠HFD或蛋氨酸和膽堿缺乏飲食導(dǎo)致的脂肪變性、纖維化和炎癥。Qiao 等［37］報道，敲除STING或IRF3顯著降低炎癥因子表達，減少游離脂肪酸誘導(dǎo)的肝炎癥，抑制NF-κB 和凋亡信號通路，減少游離脂肪酸誘導(dǎo)的人肝L02 細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，肥胖伴隨著腸道屏障的破壞，導(dǎo)致腸道微生物及其代謝產(chǎn)物泄漏到循環(huán)系統(tǒng)和遠處器官，具有推動代謝性疾病發(fā)展的作用［38］。Luo等［39］報道，微生物DNA是觸發(fā)NAFLD的介質(zhì)，腸道細胞外囊泡將微生物DNA轉(zhuǎn)移到肝細胞中，cGAS和STING 表達隨微生物DNA積累而升高，在肝中引起炎癥和纖維化。因此，抑制cGAS/STING通路對肝炎治療很有潛力。

2.3 cGAS/STlNG 信號通路與心臟疾病

DCM是糖尿病嚴重心臟并發(fā)癥，糖尿病對心臟的有害影響包括纖維化基因表達改變、能量代謝異常、左心室功能下降、氧化應(yīng)激、無菌炎癥、脂質(zhì)堆積和線粒體功能障礙等，這些都有助于心功能障礙、心肌肥厚和心肌重塑的發(fā)生發(fā)展［40］。DCM 可表現(xiàn)為心衰、心絞痛和心律失常等癥狀，是導(dǎo)致糖尿病患者死亡的最大風(fēng)險因素，目前還缺乏特異性治療方法［41］。近年來對DCM 發(fā)病機制的研究逐漸增多，cGAS/STING通路被認為與其發(fā)病機制有關(guān)。

Ma 等［42］利用HFD 喂養(yǎng)db/db小鼠建立肥胖型心肌病模型，觀察到小鼠心肌細胞細胞質(zhì)內(nèi)mtDNA增加和cGAS/STING 通路激活，以及下游分子IRF3，NF-κB，IL-18和IL-1β表達。體外實驗利用棕櫚酸（palmitic acid，PA）培養(yǎng)H9C2 大鼠心肌細胞構(gòu)建脂毒性模型。結(jié)果表明，cGAS/STING 通路激活與胞漿內(nèi)mtDNA 出現(xiàn)有關(guān)，PA 誘導(dǎo)線粒體穩(wěn)態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生過多線粒體活性氧，造成mtDNA氧化損傷并釋放到細胞質(zhì)中。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在脂毒性H9C2 細胞模型中和DCM 小鼠模型中使用STING 抑制劑均可顯著抑制心肌細胞炎癥和凋亡。Yan 等［18］利用腺病毒特異性敲除小鼠心肌STING，并注射鏈脲佐菌素和采用HFD 誘發(fā)糖尿病，發(fā)現(xiàn)敲除STING可減輕心肌細胞焦亡和炎癥反應(yīng)，預(yù)防糖尿病誘導(dǎo)的心肌肥大，并恢復(fù)心臟功能。機制研究發(fā)現(xiàn)，線粒體氧化損傷和游離脂肪酸誘導(dǎo)mtDNA 逃逸，刺激cGAS/STING 通路啟動核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3 炎癥小體誘導(dǎo)的心肌細胞焦亡和慢性炎癥。可見，在高血脂或高血糖環(huán)境下，線粒體功能障礙是mtDNA增加的主要原因，mtDNA 激活cGAS/STING 通路在肥胖相關(guān)DCM 發(fā)病機制中具有重要作用，且STING有望成為治療DCM的潛在靶點。

2.4 cGAS/STlNG 信號通路與腎疾病

DN 是一種糖尿病微血管并發(fā)癥，約40%糖尿病患者會患此病。糖尿病相關(guān)的代謝變化導(dǎo)致腎小球肥大、腎小球硬化、腎小管間充質(zhì)炎癥和纖維化，病程包括進行性蛋白尿、腎小球濾過率下降以及最終的腎功能衰竭［43］。盡管DN 是慢性腎病的主要原因，但尚未受到足夠重視。高血糖通過不同腎損傷機制促進炎性介質(zhì)在受損的腎小球和腎小管細胞中表達，cGAS/STING 通路參與了DN 的發(fā)病機制。

Myakala等［44］報道，db/db小鼠和KKAy小鼠的腎炎是由cGAS 激活引起的，DNA 損傷或線粒體功能障礙可釋放DNA 到細胞質(zhì)中激活cGAS，導(dǎo)致第二信使cGAMP 產(chǎn)生，隨后通過STING 誘導(dǎo)IFN-Ⅰ反應(yīng)或NF-κB 活化，誘導(dǎo)炎癥因子表達。沙庫必曲（sacubitril）/纈沙坦（valsartan）可修復(fù)mtDNA 損傷，抑制cGAS/STING 通路激活，減輕db/db小鼠和KKAy 小鼠蛋白尿、系膜擴張和足細胞損失，對2 型糖尿病小鼠腎功能具有保護作用。研究發(fā)現(xiàn)，過表達DsbA-L 可拮抗線粒體應(yīng)激誘導(dǎo)的mtDNA 釋放和脂肪組織中cGAS/STING 通路激活，改善高糖誘導(dǎo)的腎小管損傷，防止DN 中異位脂肪沉積和脂質(zhì)相關(guān)腎損傷［45-46］。此外，線粒體功能受損和腎小管炎癥是急性腎損傷和隨后的慢性腎病的發(fā)病機制。有研究在急性腎損傷患者腎臟中也檢測到cGAS/STING 通路激活，并發(fā)現(xiàn)在STING敲除小鼠中順鉑誘導(dǎo)的管狀炎癥和急性腎損傷表型得到改善。抑制STING 也可減輕葉酸誘導(dǎo)的小鼠腎炎癥、腎小管損傷、腎纖維化以及線粒體功能障礙［47-48］。綜上所述，cGAS/STING 通路激活可導(dǎo)致腎損傷，抑制cGAS/STING 通路可延緩腎疾病進展。

2.5 cGAS/STlNG 信號通路與血管內(nèi)皮疾病

AS是一種由脂質(zhì)代謝異常、炎癥反應(yīng)和血流動力學(xué)改變引起的血管疾病［49］，特點是血管壁中脂質(zhì)積聚和炎癥細胞因子增加、內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞功能障礙、由單核細胞或巨噬細胞引發(fā)泡沫細胞形成，在局部血管形成斑塊，使血管狹窄限制血液流動，最終導(dǎo)致心力衰竭、心源性猝死、急性心肌梗死等心血管疾?。?0］。近年研究發(fā)現(xiàn)，AS進程加快與血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells，VSMC）cGAS/STING 信號通路激活相關(guān)。Bi 等［51］建立了慢性腎疾病相關(guān)AS小鼠模型，發(fā)現(xiàn)在慢性腎病背景下，AS 斑塊體積變得更大更不穩(wěn)定，且誘導(dǎo)VSMC 發(fā)生氧化應(yīng)激，損害VSMC 線粒體功能，進而使mtDNA 泄漏至細胞質(zhì)中，激活cGAS/STING通路分泌更多的IFN-Ⅰ，促使VSMC 向早衰和炎癥轉(zhuǎn)換；同時VSMC 數(shù)量減少，使纖維帽變薄，斑塊破裂風(fēng)險增加。特異性cGAS或STING基因敲除阻斷cGAS/STING 通路，可有效降低小鼠IFN-Ⅰ分泌及AS 斑塊不穩(wěn)定性，提示cGAS/STING 通路是AS斑塊不穩(wěn)定的發(fā)生機制，干預(yù)cGAS/STING 通路有望成為治療AS關(guān)鍵途徑。

除AS外，患有代謝性疾病血管并發(fā)癥的患者均有不同程度的內(nèi)皮功能損傷，內(nèi)皮功能障礙是許多代謝異常狀態(tài)下血管病變的基礎(chǔ)［52］。已有研究表明，高血糖和游離脂肪酸引起的代謝性炎癥抑制新生血管形成，延緩傷口愈合［53］。Yuan等［54］報道，PA調(diào)節(jié)Yes 相關(guān)蛋白（Yes associated protein，YAP）通路抑制血管生成和傷口愈合，PA處理誘導(dǎo)線粒體損傷并使mtDNA 向胞質(zhì)釋放，激活cGAS/STING/IRF3信號通路，激活的IRF3與哺乳動物ste20樣激酶1 基因啟動子結(jié)合，誘導(dǎo)哺乳動物ste20 樣激酶1表達，使YAP 磷酸化失活，抑制內(nèi)皮細胞增殖、遷移和血管形成?？梢姳Ｗo線粒體免受損傷，靶向cGAS/STING/IRF3 通路進行干預(yù)是抑制血管生成和傷口愈合受損的重要途徑。

3 結(jié)語

cGAS/STING 信號通路和代謝性炎癥之間存在著密切聯(lián)系，mtDNA 在二者之間發(fā)揮了重要的橋梁作用。抑制cGAS/STING 信號通路可改善代謝性疾病，如肥胖、NAFLD、DCM、DN 和AS 等。作用于cGAS/STING 信號通路的藥物及制劑有待開發(fā)。研究cGAS/STING 信號通路可為代謝性炎癥相關(guān)的疾病治療提供新的思路與方法。