靶向cGAS-STING信号通路药物的研究进展
发布时间：2021-11-12 10:12
病原微生物的入侵和细胞受损导致细胞质中DNA异常聚集,环化核苷酸合成酶（cGAS）通过识别细胞质中的DNA,催化生成第二信使2’,3’-cGAMP,将信号传递给下游干扰素基因刺激因子（STING）,诱导转录因子IRF3和NF-κB入核,表达和分泌Ⅰ型干扰素等炎症因子,进而激活机体固有免疫和适应性免疫反应。cGAS-STING信号通路调控紊乱将导致病原体感染,以及肿瘤和自身免疫疾病等多种疾病发生和发展,因此靶向cGAS和STING蛋白进行的药物开发具有十分重要的临床价值。本文讨论cGAS-STING信号通路的最新研究进展以及其在不同疾病中发挥的功能,并总结目前已报道的调节cGAS和STING的小分子化合物,为后续相关的药物研发提供理论参考。
【文章来源】：中国药科大学学报. 2020,51(03)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
c GAS-STING信号通路抑制剂
人源c GAS由522个氨基酸组成，相对分子质量大小为60 k D，位于N末端的130-155 aa为非保守序列，功能研究尚不明确，而155-522 aa构成了c GAS的C末端核酸转移酶结构域，含有一个位于中心的催化区域和分散在两侧的阳离子表面区域[3]。c GAS通过上述区域与双链DNA螺旋中的脱氧核糖磷酸骨架以2︰2的形式结合成多聚体。此外，c GAS上的锌指区域通过离子键进一步稳定其与DNA的结合[4]。DNA的结合能诱导c GAS核酸转移酶催化区域的结构重排，进而以ATP和GTP为底物催化形成2"-5"和3"-5"环状GAMP分子（cyclic GMP-AMP），即2",3"-c GAMP（图1-A)[3]。值得注意的是c GAS对DNA的识别并不依赖于DNA序列的特异性，长链DNA(>45 bp）能更高效地激活c GAS酶活，且病原体入侵、线粒体受损或基因组不稳定性导致的细胞质中DNA聚集都能导致c GAS激活[5]。2",3"-cGAMP在与下游受体蛋白STING结合后完成信号的传递[6]。人源STING蛋白由379个氨基酸组成，包含N端4次跨膜区（N terminal transmembrane domain,NTD,1-137 aa），环化核苷酸结合区域（cyclic dinucleotides binding domain,CBD,138-340 aa）和C末端尾巴（C terminal tail,CTT,341-379 aa)[7]。静息状态下STING蛋白以同源二聚体形式存在，两个分子的NTD相互交错将蛋白锚定在内质网膜内，CBD区域在细胞质中形成“V”形口袋用于识别2",3"-cGAMP。2",3"-cGAMP的结合诱导STING蛋白的空间构象由“V形”向“U”形口袋转变，且口袋顶部的开口处形成帽子结构促进STING二聚体形成四聚体和多聚复合物（图1-B），多聚化的STING蛋白脱离内质网向高尔基体转移并在此过程中以其CTT区域招募TANK结合激酶（TANK-binding kinase,TBK1),TBK1在与STING多聚体结合后发生自磷酸化（172位丝氨酸发生磷酸化，S172），激活其激酶活性后催化STING蛋白的磷酸化（366位丝氨酸发生磷酸化，S366），磷酸化后的STING蛋白进一步以其CTT区域招募转录因子干扰素调节因子3(interferon regulatory factors 3,IRF3），促进IRF3磷酸化（396位丝氨酸发生磷酸化，S396）和二聚化入核，激活Ⅰ型IFNs相关基因的表达[8-9]。同时STING将信号传给肿瘤坏死因子受体相关蛋白6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6），激活经典核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB）信号通路，诱导TNF-α和IL-6等炎症因子释放[2]。与2",3"-cGAMP类似，细菌的代谢产物环鸟苷二磷酸（cyclic diguanylate monophosphate,c-di-GMP）和环腺苷二磷酸（cyclic diadenylate monophosphate,c-di-AMP）分子也能结合到STING的CBD区域，诱导信号通路的激活[10]。cGAS-STING信号通路的信号传递过程见图2。
c GAS-STING信号通路通过促进Ⅰ型IFNs,TNF-α和IL-6等炎症因子表达，一方面能诱导细胞产生大量干扰素刺激基因（interferon-stimulatedgenes,ISGs），而另一方面能促进树突细胞向T细胞呈递抗原，加强抗肿瘤免疫[13]。但是肿瘤细胞能从多个层面抑制c GAS-STING信号通路从而逃避免疫监察。通过生物信息学研究发现，在肾癌、乳腺癌、肺癌、肝癌等多种人肿瘤细胞系中，c GAS和STING的基因通过表观遗传学降低了翻译效率，而且在蛋白水平通常是以不能行使正常功能的突变体形式存在[14]。而且Wu等[15]发现肿瘤细胞中人上皮生长因子受体2(human epidermalgrowth factor receptor 2,HER2）可以招募RAC-β丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（RAC-beta serine/threo-nine-protein kinase,AKT），抑制STING信号通路，促进了肿瘤发展。同时也有研究发现如果NF-κB信号通路过度激活，炎症反应会参与肿瘤的发生、转移、免疫逃逸以及肿瘤微环境中的血管生成，促进肿瘤的恶化[16]。比如致癌物二羟甲基丁酸（dimethylolbutanoic acid[2,2-bis(hydroxymethyl)butyric acid],DMBA）会导致表皮角质细胞核DNA发生损伤，并使其释放到细胞质，从而激活细胞内的c GAS-STING信号，促进皮肤的癌变[17]。还有在肺癌细胞的脑转移模型中，在转移到脑部的肺癌细胞中，细胞质中的DNA可以激活c GAS，而生成的2",3"-c GAMP能通过Gap Junction向大脑部的星形胶质细胞转移，进一步激活c GAS-STING信号通路，诱导Ⅰ型IFNs和TNF-α等炎症因子表达和释放，而释放的炎症因子会通过旁分泌的方式，作用于肿瘤细胞上，促进了肿瘤细胞的生长[18]。综上，c GAS-STING信号通路在肿瘤发生、发展和转移过程中发挥重要作用，而且在大部分的肿瘤模型中，在细胞和动物水平已经证实c GAS-STING信号通路能够发挥很好的抗肿瘤免疫作用，但是不同肿瘤中STING激动剂的安全性和有效性需要谨慎评价。机体内STING信号通路的持续异常激活能导致多种自身免疫疾病。第一类是因基因突变导致细胞内核酸代谢酶功能异常，比如TREX1,RNAS-EH2A,SAMHD1等基因发生突变，促进DNA在细胞质中的聚集，诱导炎症细胞因子的持续释放，导致自身免疫疾病发生[19-21]。此类疾病包括AGS综合征（Aicardi-Goutieres syndrome,AGS）、系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus,SLE）等[22]。另一类是由编码STING蛋白发生V147L,N154S和V155M等点突变（第147位缬氨酸突变成亮氨酸，第154位天冬酰胺突变成丝氨酸，第155位缬氨酸突变成甲硫氨酸），导致STING蛋白不依赖上游2",3"-cGAMP即可持续激活，促进炎症因子持续表达和释放，导致组织损伤[23]。在临床上发现此类患者早发于婴儿时期，主要表现为皮肤红疹和呼吸急促，发热，外周血管病变，肺部炎症和血液中存在自身抗核抗体等，此类疾病也被统一命名为诱发于婴儿时期的STING相关血管病变（STING-associated vasculopathy with onset in infancy,SAVI）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于肿瘤免疫治疗的干扰素基因刺激因子激动剂的研究进展[J]. 吉力扬,郝婧,王国成,谢唯佳. 中国药科大学学报. 2020(01)
[2]Caspase家族与固有免疫关系研究进展[J]. 余莹华,徐志猛,曾昊,倪荣兴,李萍. 中国药科大学学报. 2019(05)
[3]microRNA在固有免疫中的作用研究进展[J]. 杨若聪,段飞鹏,曹佳红,田朋朋,闫智勇,李韶菁. 中国药科大学学报. 2017(04)
本文编号：3490704
【文章来源】：中国药科大学学报. 2020,51(03)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
c GAS-STING信号通路抑制剂
人源c GAS由522个氨基酸组成，相对分子质量大小为60 k D，位于N末端的130-155 aa为非保守序列，功能研究尚不明确，而155-522 aa构成了c GAS的C末端核酸转移酶结构域，含有一个位于中心的催化区域和分散在两侧的阳离子表面区域[3]。c GAS通过上述区域与双链DNA螺旋中的脱氧核糖磷酸骨架以2︰2的形式结合成多聚体。此外，c GAS上的锌指区域通过离子键进一步稳定其与DNA的结合[4]。DNA的结合能诱导c GAS核酸转移酶催化区域的结构重排，进而以ATP和GTP为底物催化形成2"-5"和3"-5"环状GAMP分子（cyclic GMP-AMP），即2",3"-c GAMP（图1-A)[3]。值得注意的是c GAS对DNA的识别并不依赖于DNA序列的特异性，长链DNA(>45 bp）能更高效地激活c GAS酶活，且病原体入侵、线粒体受损或基因组不稳定性导致的细胞质中DNA聚集都能导致c GAS激活[5]。2",3"-cGAMP在与下游受体蛋白STING结合后完成信号的传递[6]。人源STING蛋白由379个氨基酸组成，包含N端4次跨膜区（N terminal transmembrane domain,NTD,1-137 aa），环化核苷酸结合区域（cyclic dinucleotides binding domain,CBD,138-340 aa）和C末端尾巴（C terminal tail,CTT,341-379 aa)[7]。静息状态下STING蛋白以同源二聚体形式存在，两个分子的NTD相互交错将蛋白锚定在内质网膜内，CBD区域在细胞质中形成“V”形口袋用于识别2",3"-cGAMP。2",3"-cGAMP的结合诱导STING蛋白的空间构象由“V形”向“U”形口袋转变，且口袋顶部的开口处形成帽子结构促进STING二聚体形成四聚体和多聚复合物（图1-B），多聚化的STING蛋白脱离内质网向高尔基体转移并在此过程中以其CTT区域招募TANK结合激酶（TANK-binding kinase,TBK1),TBK1在与STING多聚体结合后发生自磷酸化（172位丝氨酸发生磷酸化，S172），激活其激酶活性后催化STING蛋白的磷酸化（366位丝氨酸发生磷酸化，S366），磷酸化后的STING蛋白进一步以其CTT区域招募转录因子干扰素调节因子3(interferon regulatory factors 3,IRF3），促进IRF3磷酸化（396位丝氨酸发生磷酸化，S396）和二聚化入核，激活Ⅰ型IFNs相关基因的表达[8-9]。同时STING将信号传给肿瘤坏死因子受体相关蛋白6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6），激活经典核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB）信号通路，诱导TNF-α和IL-6等炎症因子释放[2]。与2",3"-cGAMP类似，细菌的代谢产物环鸟苷二磷酸（cyclic diguanylate monophosphate,c-di-GMP）和环腺苷二磷酸（cyclic diadenylate monophosphate,c-di-AMP）分子也能结合到STING的CBD区域，诱导信号通路的激活[10]。cGAS-STING信号通路的信号传递过程见图2。
c GAS-STING信号通路通过促进Ⅰ型IFNs,TNF-α和IL-6等炎症因子表达，一方面能诱导细胞产生大量干扰素刺激基因（interferon-stimulatedgenes,ISGs），而另一方面能促进树突细胞向T细胞呈递抗原，加强抗肿瘤免疫[13]。但是肿瘤细胞能从多个层面抑制c GAS-STING信号通路从而逃避免疫监察。通过生物信息学研究发现，在肾癌、乳腺癌、肺癌、肝癌等多种人肿瘤细胞系中，c GAS和STING的基因通过表观遗传学降低了翻译效率，而且在蛋白水平通常是以不能行使正常功能的突变体形式存在[14]。而且Wu等[15]发现肿瘤细胞中人上皮生长因子受体2(human epidermalgrowth factor receptor 2,HER2）可以招募RAC-β丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（RAC-beta serine/threo-nine-protein kinase,AKT），抑制STING信号通路，促进了肿瘤发展。同时也有研究发现如果NF-κB信号通路过度激活，炎症反应会参与肿瘤的发生、转移、免疫逃逸以及肿瘤微环境中的血管生成，促进肿瘤的恶化[16]。比如致癌物二羟甲基丁酸（dimethylolbutanoic acid[2,2-bis(hydroxymethyl)butyric acid],DMBA）会导致表皮角质细胞核DNA发生损伤，并使其释放到细胞质，从而激活细胞内的c GAS-STING信号，促进皮肤的癌变[17]。还有在肺癌细胞的脑转移模型中，在转移到脑部的肺癌细胞中，细胞质中的DNA可以激活c GAS，而生成的2",3"-c GAMP能通过Gap Junction向大脑部的星形胶质细胞转移，进一步激活c GAS-STING信号通路，诱导Ⅰ型IFNs和TNF-α等炎症因子表达和释放，而释放的炎症因子会通过旁分泌的方式，作用于肿瘤细胞上，促进了肿瘤细胞的生长[18]。综上，c GAS-STING信号通路在肿瘤发生、发展和转移过程中发挥重要作用，而且在大部分的肿瘤模型中，在细胞和动物水平已经证实c GAS-STING信号通路能够发挥很好的抗肿瘤免疫作用，但是不同肿瘤中STING激动剂的安全性和有效性需要谨慎评价。机体内STING信号通路的持续异常激活能导致多种自身免疫疾病。第一类是因基因突变导致细胞内核酸代谢酶功能异常，比如TREX1,RNAS-EH2A,SAMHD1等基因发生突变，促进DNA在细胞质中的聚集，诱导炎症细胞因子的持续释放，导致自身免疫疾病发生[19-21]。此类疾病包括AGS综合征（Aicardi-Goutieres syndrome,AGS）、系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus,SLE）等[22]。另一类是由编码STING蛋白发生V147L,N154S和V155M等点突变（第147位缬氨酸突变成亮氨酸，第154位天冬酰胺突变成丝氨酸，第155位缬氨酸突变成甲硫氨酸），导致STING蛋白不依赖上游2",3"-cGAMP即可持续激活，促进炎症因子持续表达和释放，导致组织损伤[23]。在临床上发现此类患者早发于婴儿时期，主要表现为皮肤红疹和呼吸急促，发热，外周血管病变，肺部炎症和血液中存在自身抗核抗体等，此类疾病也被统一命名为诱发于婴儿时期的STING相关血管病变（STING-associated vasculopathy with onset in infancy,SAVI）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于肿瘤免疫治疗的干扰素基因刺激因子激动剂的研究进展[J]. 吉力扬,郝婧,王国成,谢唯佳. 中国药科大学学报. 2020(01)
[2]Caspase家族与固有免疫关系研究进展[J]. 余莹华,徐志猛,曾昊,倪荣兴,李萍. 中国药科大学学报. 2019(05)
[3]microRNA在固有免疫中的作用研究进展[J]. 杨若聪,段飞鹏,曹佳红,田朋朋,闫智勇,李韶菁. 中国药科大学学报. 2017(04)
本文编号：3490704
本文链接：https://www.wllwen.com/yixuelunwen/yiyaoxuelunwen/3490704.html
最近更新
教材专著
