STING直接与PAR相互作用，促进急性电离辐射介导的DNA损伤后的细胞凋亡

　　

中国科学院广州生物医药与健康研究院（1CAS Key Laboratory of Regenerative Biology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Stem Cell and Regenerative Medicine, Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health, Chinese Academy of Sciences）的研究人员 Yirong Sun 等人在《Cell Death & Differentiation》期刊上发表了题为 “STING directly interacts with PAR to promote apoptosis upon acute ionizing radiation-mediated DNA damage” 的论文。这篇论文在辐射生物学以及肿瘤治疗、辐射损伤防治等医学健康领域具有重要意义，它揭示了全新的细胞死亡调控机制，为相关疾病的治疗和干预提供了潜在的新靶点与新思路。

摘要解读

该研究发现，STING（干扰素基因刺激蛋白）在急性电离辐射（IR，ionizing radiation）介导的 DNA 损伤引发的细胞凋亡过程中发挥着关键作用，这一过程不依赖于 I 型干扰素（IFN-I，type I interferon ）。研究表明，STING 能与被激活的聚（ADP - 核糖）聚合酶 - 1（PARP1，poly (ADP?ribose) polymerase-1）产生的聚（ADP - 核糖）（PAR，poly (ADP?ribose) ）相结合。在体外和体内实验中，缺乏 STING 的细胞和小鼠对辐射诱导的细胞死亡表现出更强的抗性，细胞凋亡明显减少。同时，抑制 PARP1 的功能也能降低细胞凋亡率。这些结果意味着，STING 和 PAR 在辐射诱导的细胞凋亡中起着至关重要的作用，这一发现为控制辐射诱导的细胞凋亡以及治疗急性辐射症状提供了潜在的治疗靶点，也为肿瘤治疗中放疗方案的优化提供了理论依据 。

研究背景

在医学领域，高剂量放疗用于治疗盆腔和腹部肿瘤时，常常会引发胃肠道综合征（GIS，gastrointestinal syndrome）；而在核事故或生物恐怖袭击等极端情况下，大量人群可能会暴露于高剂量的电离辐射中，进而导致急性辐射综合征（ARS，acute radiation syndrome）。这两种病症都会对人体内部器官和组织造成严重损害，尤其是那些含有高度增殖细胞的组织，如骨髓和胃肠道。

电离辐射会使高度增殖的细胞遭受严重的 DNA 损伤，进而触发一系列细胞反应，包括 DNA 修复过程和细胞死亡程序。其中，细胞凋亡在辐射引发的组织损伤中扮演着重要角色，例如肠道血管内皮细胞的凋亡就与 GIS 密切相关。此外，辐射介导的细胞死亡及其相关免疫反应对于癌症的放射治疗也具有重要意义。

然而，尽管经过了多年研究，辐射诱导的 GIS 中细胞死亡的关键分子机制仍存在争议，并且目前缺乏有效的治疗药物和方法。此前的研究虽揭示了一些相关保护因素，如非常规预折叠蛋白 RPB5 相互作用蛋白（URI，unconventional prefoldin RPB5 interactor ）和 p53 过表达等，但 GIS 的复杂机制仍未完全明晰。同时，PARP1 在细胞死亡和生存中的双重调节功能，以及其如何在 DNA 修复和细胞死亡之间进行信号调节和转换，都尚不明确。此外，STING 在调节 IR 诱导的组织损伤和细胞死亡中的作用也有待进一步研究。在这样的背景下，开展此项研究对于深入了解辐射损伤机制、寻找有效的治疗靶点显得尤为必要。

关键技术方法

1. 动物实验：选用 8 - 12 周龄的野生型 C57BL/6 J 小鼠和携带 I199N STING 突变的小鼠，在特定条件下饲养繁殖。通过对小鼠进行腹部 / 部分照射（SBI，subtotal irradiation）实验，以研究 STING 在辐射介导的 DNA 损伤和细胞死亡中的作用。在照射过程中，使用特定设备对小鼠进行麻醉，并精确控制辐射剂量和照射部位，同时密切监测动物健康状况和体重变化 。

2. 细胞实验：分离培养多种细胞，包括骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs，bone marrow-derived macrophages ）、J2 病毒转化的巨噬细胞（J2 BMDMs）、小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs，mouse embryonic fibroblasts ）以及人 THP - 1 单核细胞等。通过对这些细胞进行电离辐射处理，并运用多种检测技术，如细胞死亡检测、免疫荧光、免疫印迹、共免疫沉淀等，来探究 STING 与 PAR 之间的相互作用以及它们在细胞凋亡中的作用机制 。

3. 分子生物学实验：运用定量实时聚合酶链反应（qRT - PCR，quantitative real-time PCR）检测相关基因的表达水平；使用酶联免疫吸附测定（ELISA，enzyme-linked immunosorbent assay）检测细胞因子的含量；通过蛋白质纯化技术获取纯化的 STING 蛋白，并进行体外结合实验，以分析 STING 与 PAR 的相互作用 。

研究结果

1. STING 缺乏保护小鼠免受急性辐射综合征并增加细胞在辐射后的存活率：通过腹部照射实验发现，大部分野生型小鼠在接受腹部 SBI 后死亡，而小鼠的存活率显著更高。组织学分析显示，野生型小鼠在辐射后的腹部损伤更严重，小鼠的肠道绒毛高度明显高于野生型小鼠，隐窝损失和绒毛萎缩程度也较轻。在细胞水平上，来源的 BMDMs、J2 BMDMs、MEFs 以及人 THP - 1 单核细胞在辐射后的细胞毒性更低，存活率更高。透射电镜结果表明，辐射后 THP - 1 细胞出现凋亡和线粒体数量减少的现象，而 STING 敲除细胞的线粒体则相对完整甚至出现伸长。由此可见，STING 功能缺失能显著提高细胞在辐射后的存活率以及小鼠在 SBI 后的生存能力 。

2. STING 功能丧失抑制体内外 IR 介导的细胞凋亡：通过末端脱氧核苷酸转移酶 dUTP 缺口末端标记（TUNEL，terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling ）染色发现，野生型和小鼠在接受 SBI 后，结肠和肠道均出现细胞凋亡，但野生型小鼠肠道细胞的凋亡水平明显更高。进一步研究发现，STING 缺失并不影响辐射后活性氧（ROS，reactive oxygen species ）的产生。通过流式细胞术和生化分析可知， BMDMs 的细胞凋亡水平低于野生型 BMDMs，且 IR 诱导的 caspase 3 激活和 PARP1 切割在野生型 BMDMs 中呈剂量依赖性增加，而在 BMDMs 中则无此现象。同样的结果在 MEFs 和 THP - 1 细胞中也得到了验证 。

3. IR 后 STING 与 PAR 相互作用：研究发现，IR 处理后，BMDMs 和 THP - 1 细胞中 PARP1 的表达增加，且 PARP1 与 STING 共定位，同时 IR 能触发 STING 与 PARP1 的相互作用。进一步研究表明，PAR 能与 STING 发生免疫沉淀，免疫荧光分析和邻近连接分析（PLA，proximity ligation assay ）也证实了 IR 后 PAR 与 STING 共定位且距离相近。体外实验显示，STING 与 PAR 存在重叠结合，PAR 与 STING 的结合会改变其电泳迁移率。此外，IR、PAR 或 STING 激动剂 diABZI 均能促进 STING 磷酸化，且 STING 磷酸化与细胞凋亡率增加相关 。

4. PJ34 部分抑制 PARP1 保护细胞和小鼠免受 IR 损伤：研究不同浓度的 PARP1 抑制剂 PJ34 对 PAR 表达和细胞存活的影响发现，IR 会使 PAR 表达显著增加，而 PJ34 则能抑制这种增加，且 3 μM 的 PJ34 能保护细胞免受 IR 诱导的死亡。在小鼠实验中，使用 PJ34 处理照射后的小鼠，能显著提高小鼠的存活率，减少体重下降，减轻腹部损伤，降低肠道炎症细胞因子的表达，抑制肠道细胞凋亡。同时，PJ34 还能减少 STING 与 PAR 的结合，维持肠道隐窝中细胞的存活 。

5. STING 缺乏或 PARP 抑制减弱 IR 时 DNA 传感介导的 NF - κB 和 IFN - I 激活：免疫印迹分析表明， BMDMs 在 IR 后，TANK 结合激酶 1（TBK1）、干扰素调节因子 3（IRF3）和核因子 κB（NF - κB）p65 的磷酸化被抑制，THP - 1 细胞中也有类似结果，这说明 STING 缺乏会减弱 IRF3 和 NF - κB 通路。同时，STING 缺陷细胞在辐射后，Ifnb 和 IFN - I 依赖性细胞因子 Ip10 的表达水平降低，NF - κB 介导的促炎细胞因子表达也减少。PARP 抑制剂 PJ34 处理后，BMDMs 和小鼠肠道组织中 Ifnb 和 Ip10 的表达下降，这表明 PAR 在促进 STING 介导的 IFN - I 激活中可能发挥着重要作用 。

6. STING 功能丧失或 PARP 功能抑制抑制辐射后促凋亡蛋白家族的激活和 Bax 向线粒体的转位：qRT - PCR 分析显示，IR 处理后， BMDMs 和 THP - 1 单核细胞中促凋亡基因 Puma、Bim、Noxa 和 Bad 的表达显著低于野生型对照细胞，其中 Puma 的表达降低最为明显。免疫印迹分析表明，STING 激活会促使 Bax 向线粒体转位，而细胞中线粒体 Bax 的表达水平低于野生型细胞，同时细胞中从线粒体释放的细胞色素 c（Cyto C）也明显减少。此外，PARP 抑制剂 PJ34 能显著降低 IR 后 Puma 的表达 。

研究结论与讨论

本研究揭示了 STING 在 IR 介导的细胞死亡中的全新作用。STING 功能缺失与辐射介导的细胞凋亡抑制相关，并且对 GIS 具有保护作用，能延长小鼠存活时间并减少肠道隐窝损伤。STING 对 IR 介导的 DNA 损伤的响应是通过与 PAR 直接结合实现的，这一结合会引发细胞凋亡。同时，细胞内 PAR 水平在细胞或小鼠辐射后的存活中起着重要作用，适量的 PAR 对于 DNA 修复和细胞存活至关重要，而使用 PARP1 抑制剂治疗肿瘤时，需要足够剂量以完全抑制 PAR 的产生来杀死肿瘤细胞。

此外，研究还发现 STING 功能丧失与促凋亡蛋白的下调有关，NF - κB 信号通路会调节 BH3 家族蛋白和促凋亡的 BH3 - only 家族蛋白的表达，而 PUMA 是 NF - κB 的直接靶点，也是 DNA 损伤诱导细胞凋亡的关键蛋白。本研究中，STING 缺陷细胞在 IR 后，促凋亡基因 PUMA 的上调显著减少，这导致 Bax 向线粒体的转位受到抑制，进而减少了细胞凋亡。

虽然电离辐射对 DNA 损伤的影响主要通过直接电离能量和间接效应（如产生 ROS），但本研究表明，STING 缺陷对致死剂量辐射后 ROS 的产生没有显著影响，可能是因为致死剂量辐射直接导致大量 DNA 损伤，进而直接激活了 PAR - STING 信号通路，或者 ROS 诱导的凋亡途径在致死照射后独立于 STING 。

本研究还指出，PAR 位于 DNA 损伤位点，在 DNA 修复或细胞死亡过程中发挥作用，但 PARP1、PAR 或 PARylation 在 DNA 修复凝聚物的形成和组织中的具体作用机制仍有待进一步研究。此外，虽然 I 型干扰素（IFN - Is）和 IP10 与细胞凋亡有关，但 STING 缺陷细胞中 IR 介导的细胞凋亡水平较低，可能不仅仅是因为 Ifnb 和 Ip10 表达水平的降低 。

总体而言，该研究发现了 STING 通过直接结合 PAR 调节 IR 介导的细胞死亡的新途径，这为治疗肿瘤或炎症性疾病提供了理论基础。靶向 STING 或 PARP1 可能在控制高剂量电离辐射暴露后的 GIS 或癌症放射治疗中具有潜在的治疗应用价值，为相关疾病的治疗开辟了新的方向，有望推动辐射生物学和医学健康领域的进一步发展。