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cGAS-STING信号通路在骨质疏松症中的作用机制

2024-04-12 104 上传者：管理员

摘要：cGAS-STING信号通路是一种新型的、重要的先天免疫信号通路，其被核酸物质激活，并与其他免疫应答相互作用，在炎症、感染、癌症等多种病理过程中发挥重要作用。近期研究发现cGAS-STING参与了各种与年龄相关的肌肉骨骼疾病的发生和发展，并对骨代谢产生影响。然而，在骨质疏松症(osteoporosis, OP)中确切的作用机制尚不清楚。因此，本文综述了cGAS-STING及其下游在OP中的作用机制，为开发OP新的治疗策略提供思路。

关键词：
cGAS-STING信号通路
免疫反应
脆性骨折
骨微结构恶化
骨质疏松症
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OP是一种以骨量减少、骨微结构恶化和脆性骨折为特征的疾病[1,2]。cGAS-STING信号传导通路是一种免疫反应通路，用于检测并响应细胞内的外源DNA。它起始于细胞内的DNA感受器cGAS,通过干扰素基因刺激因子(STING)蛋白激活TBK1、IRF3等分子，引发由干扰素IFN等免疫因子产生的免疫应答反应。值得注意的是，STING可以作为NF-κB的上游，刺激其激活和转录，从而介导促炎作用，在OP的发病机制中发挥作用[3]。STING缺乏促进破骨细胞(osteoclast, OC)的形成，抑制成骨细胞(Osteoblast, OB)的形成，并伴随着OC中p-38磷酸化的增加和骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)中β-Catenin磷酸化的降低。然而，cGAS基因缺失对小鼠骨密度没有显著影响，而STING基因缺失会降低小鼠骨形成[4]。但cGAS-STING及其下游在OP中确切的作用机制尚不清楚。因此，cGAS-STING在OP中的作用值得进一步研究，以确定如何靶向cGAS-STING治疗OP。

1、cGAS-STING信号通路

C-末端核苷酸转移酶(NTase)结构域是cGAS的一个重要功能域，由一个催化结构域和两个正极部分组成。在锌带的促进下，dsDNA通过形成2∶2的cGAS-dsDNA复合物激活cGAS。每个cGAS包含一个dsDNA,形成阶梯网络，以稳定cGAS-dsDNA结构。然后，稳定的结构打开催化结构域的重排开关，将GTP和ATP转化为环化的cGAMP。合成的cGAMP含有两个磷酸二酯键，对STING具有较高的亲和力[5,6]。同时，cGAMP能够激活位于内质网膜上的STING蛋白，并与STING二聚体的V型结构结合，导致STING构象改变。

STING通过参与转录因子干扰素调节因子3 (IRF3)和标准NF-κB (RELA-p50)介导炎症和抗病毒细胞程序。IRF3的激活受到TANK-binding kinase 1 (TBK1)的严格控制，TBK1通过保守的PLPLRT/SD结合基元结合到STING的c末端尾部(CTT),然后磷酸化CTT (phospho-site)内的Ser366。在某些细胞中，NF-κB的活化较少依赖于CTT和TBK1。此外，非典型NF-κB (RELB-p52)在STING下游被激活，并抵消IRF3和典型NF-κB信号传导[7]。

此外，cGAMP与STING蛋白在内质网膜上相互作用，引发STING构象的变化，导致STING从内质网膜中释放并进入COP2囊泡，然后被转运到内质网-高尔基体中间区室。在这个过程中，STING招募和激活TBK1,导致TBK1的自磷酸化，接着TBK1进行磷酸化STING和IRF3。磷酸化的STING增强了其与IRF3的亲和力，促使IRF3的激活。TBK1的作用导致IRF3二聚化并进入细胞核，触发I型干扰素、干扰素刺激基因(ISG)以及其他炎症介质、凋亡基因和趋化因子的基因表达，最终引发相应的免疫应答(图1)。

图1 cGAS-STING信号通路作用机制图

2、cGAS-STING信号通路与骨质疏松症

cGAS-STING作为NF-κB的上游分子，激活并促进NF-κB的活性和转录，产生生物学效应[8,9]。NF-κB的激活抑制了MSCs向OB分化的过程，减弱了OB的活性，从而抑制了骨形成[10,11,12,13,14]。在OC中，NF-κB的激活则促进了OC的产生和活性，加速了骨吸收的过程[15,16,17]。IFN-β也是cGAS-STING通路的下游靶点，尽管在cGAS-STING激活后会诱导OC,但其通过负反馈机制抑制了OC的激活，从而减缓骨吸收[3,18,19,20]。此外，STING还具有抑制H型血管形成的作用，进一步抑制了骨形成[3](图2)。

图2 cGAS-STING信号通路与骨质疏松症

2.1 cGAS-STING与骨质疏松症

cGAS作为cGAS-STING通路的起始分子，是一种DNA感应型酶，能够识别胞浆中的双链DNA,并催化ATP、GTP合成为环状的cGAMP。cGAS的激活是该通路的首要步骤，也是识别和响应细胞内双链DNA的关键。STING缺失会促进OC的形成，抑制OB的形成，同时伴随着OC中p-38的磷酸化增加以及骨髓基质细胞(BMSCs)中β-Catenin的磷酸化降低。cGAS基因缺失对小鼠骨密度没有显著影响，而STING基因缺失则降低小鼠骨形成[4]。

2.2 cGAMP-STING与骨质疏松症

cGAMP是一种由cGAS催化合成的第二信使，参与免疫通路。生成的cGAMP与STING蛋白结合并激活其功能。最近的研究表明，cGAS-STING通路与ENPP1之间存在联系，ENPP1对cGAMP的水解减弱了cGAS-STING信号传导。cGAMP的半衰期在很大程度上取决于ENPP1,在敲除ENPP1的小鼠模型中，观察到更长的cGAMP半衰期[21]。值得注意的是，在10周龄的雄性Enpp1 asj/asj小鼠中，血浆FGF23(成纤维生长因子23)水平和低磷血症轻度升高。微CT分析显示小鼠的小梁和皮质骨微结构缺陷，与人类HRpQCT缺陷相似。在10周和23周时，组织学显示轻度骨软化和骨质减少[22]。这些发现的生物力学相关性通过Enpp1 asj/asj小鼠骨骼脆性和延展性的增加得到了证实。ENPP1缺陷小鼠在全身表现出Wnt配体的基因转录减少，而在肝脏和肾脏中表现出可溶性Wnt抑制剂的转录增加，表明Wnt活性受到多器官抑制。与Wnt在骨中的抑制一致，Enpp1asj/asj小鼠的骨中胶原基因通路减少，而Fgf23明显升高，与骨微结构缺陷和骨折风险直接相关。此外，10周龄小鼠的骨骼结果与Enpp1转录本计数相关，但与血浆[PPi](磷酸盐)无关，这表明10周龄小鼠的骨骼表型是由催化独立的Enpp1功能驱动的[23]。

2.3 STING与骨质疏松症

STING是一种内质网跨膜蛋白，在免疫调节中扮演着关键角色。当cGAMP与STING结合时，STING发生构象变化，触发下游信号通路，最终引发免疫因子如干扰素的产生。C-176是一种呋喃衍生物，具有抑制STING通路激活的能力，从而发挥抗炎作用。研究表明，C-176能够抑制OC前体细胞中STING的活化，并且对核因子κB配体受体激活剂诱导的OC活化表现出明显的剂量依赖性。在C-176处理后，OC分化标志基因的活化，如细胞核因子c1(NFATc1)、组织蛋白酶K、降钙素受体、v-atp酶a3的表达，均显著降低[24]。此外，C-176还减少了肌动蛋白环的形成和骨吸收的能力。STING信号在干扰素刺激基因(ISGs)调控中发挥关键作用。在由STING中V154 M功能获得突变驱动的疾病模型(SAVI)中，STING通过诱导IFNβ和IFN-I干扰素刺激基因(ISGs)来限制体外OC的分化。在这个模型中，STING信号可以防止小鼠小梁骨丢失，而骨髓限制性STING活性足以实现这一效果。与野生型相比，缺乏STING的OC前体表现出更高的分化效率。RNA测序揭示了野生型和STING缺陷型OC前体细胞以及分化中的OC存在独特的ISG簇，其中包括先前未描述的ISG组，这些组在RANKL(核因子κB配体受体激活剂)naïve前体中表达(tonic表达),并在分化过程中下调[25]。

2.4 STING-TBK1与骨质疏松症

TBK1是STING信号通路中的下游信号传导分子之一。当STING激活时，TBK1与激活的STING蛋白相互作用，进而导致IRF3的磷酸化，激活下游信号通路。在局部辐照小鼠和体外辐照的MLO-Y4细胞中得到的原代OCYs中，STING的表达显著上调。同时，磷酸化的TBK结合激酶1 (P-TBK1)、RANKL和硬化蛋白(SOST)水平显著上调。体外转染STING-siRNA表明，STING在辐照诱导的骨微环境破坏中发挥着关键作用。STING-P-TBK1信号通路参与调控炎症细胞因子的分泌和OC生成潜能，通过减轻辐照诱导的P-TBK1、RANKL蛋白表达上调，以及IL-1α、IL-6、NF-κB等炎性细胞因子mRNA表达水平，降低过度的OC生成[20]。TBK1的敲低显著抑制了OC的分化和功能，而TBK1的过表达则增强了OC的形成。TBK1下调极大地抑制了rankl诱导的参与巨噬细胞(BMM)和RAW264.7细胞OC形成和功能调节的Mmp9、Atp6v0d2、Acp5、Ctsk和nfatc1基因的表达。机制研究表明，TBK1影响OC分化过程中NF-κB信号通路以及丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)和蛋白激酶B (Akt)的激活。此外，TNF受体相关因子6 (TRAF6)蛋白水平上升，TRAF6与TBK1的相互作用增强[26]。

2.5 STING-IRF3与骨质疏松症

IRF3是免疫反应中的关键转录因子，其激活在免疫应答中发挥着重要作用。被激活的IRF3将易位至细胞核，促进干扰素等免疫相关基因的表达，最终引发免疫应答反应。在OC中，RANK-RANKL相互作用激活下游信号通路，诱导OC相关基因如c-Fos和TRAF6的表达。相比之下，OPG与RANK结合，减少RANK-RANKL信号，以平衡骨吸收。c-Fos对OC分化至关重要。RANK-RANKL相互作用诱导c-Fos产生IFN-β。IFN受体(IFNAR)是一类位于细胞膜上的异源二聚体，由IFNAR1和IFNAR2两个亚基组成。IFN-β与其受体结合激活下游蛋白激酶JAK1和TYK2,进而激活转录因子STAT1和STAT2。这形成二聚体，进入细胞核与IRF9结合构成ISGF-3,发挥IFN-β介导的转录作用抑制OC的产生。因此，IFN-β形成负反馈，抑制OC分化[3]。这一调控机制有助于平衡骨骼组织的生长和维持骨骼结构的稳定性。

2.6 STING-IFN与骨质疏松症

干扰素是一类关键的免疫调节因子，由人体细胞产生，根据抗原的差异分为α、β、γ三种类型。其中，α干扰素由人体白细胞产生，β干扰素由成纤维细胞产生，合称为I型干扰素，主要发挥抗病毒作用；γ干扰素由T淋巴细胞产生，被称为II型干扰素，具有免疫调节功能。在骨代谢中，IFN-β/STAT1通路发挥着独特的作用。IFN-β对OC的形成具有抑制作用，而STAT1/2则影响OB的骨代谢。在OP破骨细胞中，IFN-β的刺激显著抑制了破骨活性，而OP破骨细胞显示出明显更高的基础破骨活性。对于STAT1的磷酸化，在OB中未检测到显著的影响，但IFN-β刺激导致两组OC中p-STAT1显著增加[27]。在体内，IFN-γ受体缺失小鼠(IFNγR1-/-)的研究表明，相较于野生型小鼠(IFNγR1+/+),IFNγR1-/-小鼠呈现出骨体积减少、皮质和小梁结构参数的显著变化，以及明显的骨质疏松表型。IFNγR1-/-小鼠的骨组织形态学呈现低骨转换模式，骨形成减少，OB和OC数量显著减少，骨形成和骨吸收标志物的循环水平也降低[28]。这些研究揭示了IFN-γ在骨骼系统中的关键调控作用，对于维持骨骼结构和功能具有重要影响。

3、结论与展望

在过去的几年里，人们对cGAS-STING通路的兴趣和知识激增，cGAS-STING通路是先天免疫的核心危险感知机制。尽管还有很多需要了解的地方，但令人信服的证据表明，在广泛的骨质疏松症疾病中，对环境外DNA的感知驱动cGAS-STING信号的激活，从而使阻断该途径获得治疗益处变得合理。然而，在研究STING/IFN-β对OC抑制的过程中，通常忽略了另一种STING下游信号分子NF-κB的作用。这被认为是相关研究的不足之处。因此，更加严密和合适的方法是在不影响NF-κB激活的情况下研究STING/IFN-β通路对OC吸收的影响。值得注意，STING激活导致IFN-β生成介导的骨吸收减少与NF-κB激活和H型血管抑制介导的骨吸收增加和骨形成减少是矛盾的。因此，如果在细胞生物学过程我们实现cGAS-STING平衡，那么cGAS-STING在骨质疏松症中的广度和重要性就不再是一个不利因素，实际上可能是其最强大的优势，因为它可以作为广泛实用的治疗靶点。到目前为止，对cGAS-STING通路的研究主要在实验室进行，但在临床或转化领域仍有很大的探索空间。此外，更多的cGAS-STING通路和骨质疏松症可能仍有待发现，以拼凑细胞的分子谜题。

基金资助:国家自然科学基金(81960877);甘肃省高等学校创新基金(2021A-076),甘肃省高等学校创新基金(2023A-088);甘肃省科技计划(创新基地和人才计划)项目(21JR7RA561);敦煌医学与转化教育部重点实验室开放基金项目DHYX20-16);甘肃省中医药研究中心专项开放课题(zyzx-2020-zx10);甘肃省自然科学基金(21JR1RA267,22JR5RA582);甘肃省教育科技创新项目(2022A-067);甘肃省科技计划项目重点研发计划国际科技合作类(23YFWA0005);

文章来源:张忠文,赵瑞,齐雅茜,等.cGAS-STING信号通路在骨质疏松症中的作用机制[J].中国骨质疏松杂志,2024,30(04):606-610.