الكلمات الرئيسية cGAS-STING، inflammasome، pyroptosis، الالتهاب، شبكة التفاعل، الأمراض

محفز جينات الإنترفيرون (STING) هو مستشعر للحمض النووي موجود في غشاء الخلية، ويوجد على نطاق واسع في الشبكة الإندوبلازمية (ER) لخلايا المناعة الثديية، وهو وسيط حيوي لتنظيم الاستجابات المناعية الفطرية. تنشيط STING يمنح مناعة للمضيف وهو مفتاح لتطهير مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض، بما في ذلك الفيروسات والبكتيريا [1-3]. كمستقبل للتعرف على الحمض النووي، يقوم إنزيم حلقة GMP-AMP (cGAS) بالتعرف على الحمض النووي مزدوج الشريطة (dsDNA) لكل من الأجسام الغريبة والذاتية دون اختلافات في التسلسل. يقوم cGAS بتحويل الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) والأدينوزين ثلاثي الفوسفات (GTP) إنزيمياً إلى 2′-3′ حلقة GMP-AMP (cGAMP). يعمل cGAMP كرسول ثانوي لتحفيز بروتين غشاء ER STING بقوة. بعد ذلك، يقوم STING بتجنيد وتنشيط كيناز ربط TANK 1 (TBK1) لبدء الإشارات الهابطة، مما يعزز بدوره فسفرة عامل تنظيم الإنترفيرون 3 (IRF3)، بينما يعزز STING فسفرة عامل النووي كابا B (NF-кB) عن طريق تنشيط كيناز ІкВ (IKK). ثم يتم تزاوج IRF3 وانتقاله إلى النواة مع NF-кB لتحفيز الإنترفيرون من النوع الأول (IFN) وسيتوكينات أخرى [4-7]. نلاحظ أن جهود اكتشاف الأدوية الكبرى جارية حالياً لاستكشاف وتحديد المحفزات لمسار cGAS-STING كمعززات للقاحات أو كمنشطات مناعية مضادة للسرطان [8-11]. في الفئران المناعية السليمة التي تحتوي على أورام قولونية متجانسة مثبتة، يظهر إعطاء عن طريق الوريد لمحفز STING الاصطناعي غير القائم على النيوكليوتيدات diABZI نشاطاً مضاداً للورم قوياً [12]. لقد أظهرت اللقاحات المعززة بمحفزات STING أنها تثير استجابات مناعية قوية ضد العدوى والسرطان [13]. المحفز الطبيعي STING، cGAMP، هو معزز قوي يحسن المناعية للقاحات إنفلونزا A الجزيئية عن طريق تعزيز الاستجابات المناعية الخلطية والخلوية والمخاطية في الفئران [14، 15]. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد أن تنشيط STING المفرط يساهم في تقدم مجموعة متنوعة من الأمراض الالتهابية [16-19].
تقوم الإنفلامازومات، مثل بروتين 3 المحتوي على مجالات NACHT وLRR وPYD (NLRP3) وغياب في الميلانوما 2 (AIM2)، ببدء إطلاق السيتوكينات المؤيدة للالتهابات عند تلقي إشارات الخطر لتنشيط الاستجابة المناعية الفطرية، وهي ضرورية للتخلص من مسببات الأمراض أو الخلايا التالفة. NLRP3 هو مستشعر داخل الخلايا يتعرف على مجموعة واسعة من الأنماط الميكروبية، وإشارات الخطر الذاتية، والمهيجات البيئية، مما يؤدي إلى تشكيل وتنشيط إنفلامازوم NLRP3. تتطلب عملية من خطوتين من التهيئة والتنشيط لإنفلامازوم NLRP3. في مرحلة التهيئة، يتم تنشيط NF-кВ أولاً بواسطة مستقبلات التعرف مثل مستقبلات التشابه مع البكتيريا (TLRs) التي تتعرف على الأنماط الجزيئية المرتبطة بالمسببات المرضية (PAMPs) أو الأنماط الجزيئية لإشارات الخطر.
(DAMPs)، تليها زيادة تعبير NLRP3 و pro-IL-1 [21]. خلال مرحلة التنشيط، يتم تجميع وتنشيط مركب الالتهاب (NLRP3-ASC-caspase-1) بواسطة محفزات مختلفة، مثل الفيروسات والبكتيريا وتدخلات متنوعة [22-24]. بمجرد تنشيطه، يعمل الكاسبيز-1 بعد ذلك على التسبب في الموت الخلوي الالتهابي وتقطيع السيتوكينات المؤيدة للالتهاب pro-IL- و pro-IL-18 إلى أشكالها النشطة حيوياً IL-1 و IL-18، لتعزيز الاستجابة الالتهابية [25]. عند تنشيط إنزيم AIM2، يتم استقطاب بروتين التأثير كاسبيز-1 إلى المركب ويقوم بقطع غازدرمين D (GSDMD) لإطلاق جزء GSDMD-N، مما يؤدي إلى حدوث البيروبتوز وإطلاق محتويات الخلايا [26]. البيروبتوز هو نوع من الموت الخلوي المبرمج المؤيد للالتهابات الذي يتميز بتوسع الخلايا، وتكوين ثقوب في غشاء البلازما، وتدهور الخلايا بسرعة، وإطلاق السيتوكينات الالتهابية [27]. يساهم البيروبتوز في حماية الجسم من العدوى مثل البكتيريا، ولكن البيروبتوز المفرط يمكن أن يؤدي إلى التهاب مزمن واضطرابات مناعية [28-31].

شهد العقد الماضي تقدماً كبيراً في فهم الأجسام الالتهابية، والاحتضار النخرى، وcGAS-STING كعناصر حيوية أساسية في المناعة الفطرية التي تنظم توازن المناعة لدى المضيف. على الرغم من أن الأجسام الالتهابية، والاحتضار النخرى، وcGAS-STING هي مسارات إشارات مناعية فطرية مستقلة نسبياً، إلا أن هناك شبكة إشارات داخل الخلايا تربط بين cGAS-STING، والأجسام الالتهابية، والاحتضار النخرى. في هذه المراجعة، نركز على الاكتشافات الحديثة المتعلقة بتأثير هذه الشبكة التبادلية كمحرك رئيسي للأمراض الالتهابية. نبرز بإيجاز الحالة الحالية لفهم الإشارات من خلال مسارات cGAS-STING، والأجسام الالتهابية، والاحتضار النخرى، ونلخص الآليات الجزيئية في سياقات مرضية مختلفة، ونحلل دورها في نماذج الأمراض قبل السريرية. بناءً على ذلك، تم توضيح الأحداث الجزيئية الرئيسية التي تكمن وراء التفاعل بين cGAS-STING، والأجسام الالتهابية، والاحتضار النخرى. بالإضافة إلى ذلك، نظراً للدور المهم لهذه الشبكة التبادلية في الاستجابة المناعية الفطرية، نركز أيضاً على ظهور أساليب دوائية تستهدف هذه الشبكة التبادلية ونظهر إمكانياتها للتطبيق السريري. سيساعد فهم أفضل لشبكة التفاعل بين cGAS-STING، والأجسام الالتهابية، والاحتضار النخرى في توجيه تطوير استراتيجيات علاجية لمكافحة الأمراض المعدية والالتهابية.

قد يكون نوع IFN I STING والإنفلامازوم AIM2 المنشط بواسطة الروابط الحمض النووي حاسماً لتوضيح (الشكل 1). في الخلايا الشجرية (DCs) والبلعميات الناقصة في

AIM2، ASC، أو الكاسبيز-1، إنتاج cGAMP، تجميع STING، وفوسفورilation TBK1 وIRF3 زادت بشكل ملحوظ عند التعرض للحمض النووي السيتوزولي [32]، مما يوضح أن تثبيط مسار STING بواسطة AIM2 يؤثر على STING العلوي، وبالتالي يقلل من تفعيل سلسلة تفعيل مسار STING بالكامل. وبالمثل، أدى نقص AIM2 إلى تجمعات كبيرة من البلعميات (CXCR3 ) تنشيط مسار STING-TBK1-IRF3/NF-кВ استجابةً لـ dsDNA، مما يؤدي إلى نضوج وإفراز السيتوكينات المؤيدة للالتهابات، بما في ذلك كيموكين CXCL10، TNF ، و IFN- [33]. أدى التهاب المتفطرات في الفئران Aim2-/- إلى إنتاج كميات كبيرة من IFN- و IFN المكتئب الإفراز من خلال قمع التفاعل بين STING و TBK1 في البلعميات والخلايا التغصنية [34]، مما يؤدي إلى زيادة أحمال العدوى وظهور أمراض أكثر شدة. وبالتالي، تشير هذه النتائج إلى أن AIM2 ينظم سلبًا إنتاج IFN من النوع الأول المدفوع بواسطة cGAS-STING عند التحفيز بأشكال مختلفة من الحمض النووي.

تعتبر ALRs ضرورية لنوع استجابة IFN للحمض النووي الداخلي للعرق وتحديد مسار العدوى والأمراض الالتهابية والشيخوخة والسرطان [35-37]. أظهرت الدراسات أن تنشيط ALRs مرتبط بحماية العائل بعد التعرف على الحمض النووي البكتيري، وهي عملية يمكن أن تحدث من خلال استشعار الحمض النووي بشكل مباشر أو استشعار غير مباشر للتغيرات الداخلية المرتبطة بالعوامل الممرضة [36]. كانت بعض أعضاء عائلة جينات ALRs متورطة في مسار cGAS-STING (الشكل 1)، مثل IFI204 وIFI205 ونظير IFI204 البشري، IFI16 [38-40]. تعتبر معظم ALRs المعروفة مرشحة ممتازة لمستقبلات الحمض النووي المناعية الفطرية لأنها تحتوي على كل من مجال البيرين، الذي يوسط تفاعلات البروتين-بروتين، ومجال HIN، الذي يرتبط مباشرة بالحمض النووي [41]. يعتبر البروتين PYR-A الذي يحتوي على البيرين فقط والبروتين IFI202b الذي يحتوي على HIN فقط استثناءات بين ALRs الفأرية التي تنشط STING بشكل قوي [38]. وقد أظهرت الدراسات أن البروتين p202 المشفر بواسطة جين IFI202، IFI204 وIFI205 يعمل كمنظم سلبي لـ

إنفلامازوم AIM2، الذي تعاون لاستشعار dsDNA السيتوزولي لإنتاج استجابة قوية من النوع الأول من IFN من خلال تنشيط cGAS-STING. من المحتمل أن تساهم مستويات تعبير IFI202b في قابلية سلالات الفئران للإصابة بفيروس التهاب الدماغ الفأري (TMEV) الذي يسبب آفات في الجهاز العصبي المركزي (CNS). وفقًا لذلك، فإن الفئران المصابة بـ TMEV و IFN- فئران C57BL/6 تظهر قدرة محدودة على القضاء على الفيروس و من هذه الفئران تتطور لديها إزالة الميالين الخفيفة [45]. الفأر ALR IFI205 يستشعر الحمض النووي الذاتي المشتق من النقل العكسي في السيتوبلازم للخلايا البلعمية وينشط النوع مسار إشارات IFN عبر STING [42]. ومن الجدير بالذكر أن بروتينات عائلة p200، الممثلة بـ IFI204، المعروفة جيدًا كـ ALR ونظيرها الفأري لـ IFI16 [46، 47]، تم تحفيزها بشكل ملحوظ في خلايا الدندritic المشتقة من نخاع العظام (BMDCs) بعد الإصابة بفيروس التهاب الكبد الفأري (MHV)، الذي ينتمي إلى نفس الجنس بيتا كورونا فيروس مثل SARS-CoV وMERS-CoV لمحاكاة عدوى فيروس RNA الحادة [48]. علاوة على ذلك، كانت الظواهر المتسقة في خلايا A549 المصابة بـ HSV-1 مع IFI16. “، مما يشير إلى أن IFI204 قد يسهل مسار استشعار الحمض النووي cGAS-STING الذي يؤدي إلى تنشيط IRF3 خلال عدوى HSV-1 [48]. وبالمثل، فإن تقليل IFI204 بواسطة RNA صغير متداخل قد أوقف بشكل كبير IFN- الإفراز استجابةً للعدوى البكتيرية مثل فرانسيلا نوفيسيدا [44]، ميكوبكتيريوم بوفيس [49]، ستافيلوكوكوس أوريوس [50]، مما يوضح أن IFI204 ضروري للدفاع المضيف ضد العدوى البكتيرية داخل الخلايا وخارجها.
تم اقتراح IFI16، وهو مستشعر نووي فطري مستقل عن التسلسل، أيضًا لتحفيز مسارات خلوية أخرى عند ارتباطه بالحمض النووي الفيروسي. تؤكد عدة تقارير أن الحمض النووي لفيروسات الهربس مثل فيروس كابوسي ساركوما المرتبط بالهربس (KSHV) وفيروس إبشتاين-بار (EBV) وفيروس الهربس البسيط 1 (HSV-1) أثناء العدوى يشكل هيكلًا أوليغومريًا يحتوي على IFI16، مما يؤدي إلى إنتاج كاسبيز-1 نشط و IL- [51، 52]. علاوة على ذلك، خلال عدوى HSV-1، يتعرف IFI16 على الحمض النووي الفيروسي HIV-1 في نوى الخلايا الليفية الجلدية البشرية المصابة (HEFs)، مما يحفز IFN- الإنتاج عبر مسار STING-TBK1-IRF3 السيتوبلازمي [51، 53]. بالإضافة إلى ذلك، تم الإبلاغ عن أن IFI16 يستشعر أيضًا DNA لستريبتوكوكوس المونوسيتوجينيس في البلعميات البشرية، مما يحفز IFN- التعبير بطريقة تعتمد على cGAS-STING [54].

يتكون جهاز الالتهاب NLRP3 من المستشعر السيتوبلازمي NLRP3، والمهايئ ASC، والعامل الفعال كاسبيز-1. مرتفع -تي بي كيه 1 -IRF3 في الأنسجة القولونية وزيادة IFN- تمت ملاحظة مستويات بعد نقص NLRP3 في الفئران التي تعرضت لإشعاع كامل البطن من خلال التعرض المتزامن لأشعة X بجرعة تراكمية [55]، مما يشير إلى أن نقص NLRP3 أدى إلى زيادة.
في IFN- الذي يتم بوساطة cGAS-STING الإنتاج بواسطة الإشعاع. نقص NLRP3 زاد من إنتاج النوع IFN وزادت من مقاومة المضيف لفيروس زيكا في المختبر وفي الجسم الحي [56]، مما كشف عن آلية معاكسة جديدة من خلالها يقوم فيروس زيكا بقمع استجابة المناعة لدى المضيف من خلال التلاعب بالتفاعل بين inflammasome ونوع إشارات IFN، التي قد توجه التصميم العقلاني للعلاجات في المستقبل.

تم الكشف عن زيادة إنتاج IFN استجابةً لعدوى الفيروسات ذات الحمض النووي، ولكن ليس لهجوم الفيروسات ذات الحمض النووي الريبي، في الاستجابة الالتهابية لـ Casp- البلاعم الكبيرة [57]. تفاعلت الكاسبيز-1 مع cGAS خلال تنشيط inflammasome التقليدي وغير التقليدي، وقامت بتقطيع cGAS ومنعت إنتاج IFN بواسطة STING [57]. عند تنشيط inflammasome، ارتبطت الكاسبيز-1 مباشرة بـ cGAS عبر مجالها p20 وقامت بتقطيع cGAS البشري في موقع D140/157، مما أدى إلى تقليل إنتاج cGAMP وتعبير السيتوكين. أيضًا، قامت الكاسبيز-4 والكاسبيز-5 في البشر والكاسبيز-11 في الفئران بتقطيع cGAS خلال تنشيط inflammasome غير التقليدي المستحث بواسطة الليببوليسكاريد (LPS) [57]. وبشكل متسق، أدى تحفيز تقطيع cGAS خلال عدوى فيروس زيكا بواسطة الكاسبيز-1 إلى تثبيط فسفرة TBK1 وIRF3 وتقليل إنتاج IFN من النوع الأول، مما أدى إلى التهرب من الاستجابة المضادة للفيروسات [56]. في الختام، يؤدي تنشيط inflammasome التقليدي وغير التقليدي إلى إنتاج الكاسبيز-1 النشط، الذي يتفاعل مع cGAS وبالتالي يمنع إنتاج IFN من النوع الأول بواسطة cGAS-STING (الشكل 1).

توجد نشاط تشكيل المسام لـ GSDMD في مجال الغاز-درمين-N، بينما يمنع مجال الغازدرمين-C نشاط تشكيل المسام. تم إطلاق مجال الغازدرمين-N الذي انتقل إلى غشاء الخلية، وشكل مسامًا بقطر داخلي قدره “، مما يعزز البيروبتوسيس [58-61]. أظهرت الفئران التي تفتقر إلى GSDMD زيادة في IFN- استجابة لعدوى فرانسيلا نوفيسيدا، وتم تنظيم GSDMD سلبًا لـ IFN- استجابة بطريقة مستقلة عن البيروبتوزيس و IL-1 [62]. تم تنشيط GSDMD بواسطة إنزيم AIM2 الذي استنفد داخل الخلايا عبر مسام الغشاء، وهو كافٍ وضروري لتثبيط IFN- المعتمد على cGAS استجابة، وبالتالي أعاقت نوع cGAS المدفوع استجابة IFN لحمض نووي مكروفاج وفيروس F. novicida [62]. باختصار، GSDMD- محور التدفق يستهدف cGAS لتقليل تخليق cGAMP، مما يثبط إشارات STING ويقلل من IFN- الإنتاج (الشكل 1).

يتكون بروتين اللجند ASC من مجالين، مجال PYD في الطرف N ومجال CARD في الطرف C. يقوم ASC بتجنيد الكاسبيز-1 الذي يحتوي على مجال CARD عبر تفاعلات CARD-CARD لتشكيل الانفلامازوم. أدى نقص ASC إلى زيادة إنتاج IFN أثناء عدوى فيروس الحمض النووي [57]. تم العثور مؤخرًا على أن مجال CARD في انفلامازوم AIM2 يرتبط بالنطاق N الطرفي لـ STING، مما يمنع تفاعل STING مع TBK1 وبالتالي ينظم سلبًا مسار إشارة cGAS-STING [34]. قام بروتين NLRC3 الذي يحتوي على مجال CARD بحجب النوع استجابة IFN و IL- الإفراز من خلال التنافس مع ASC لارتباط الكاسبيز-1، مما يعطل تشكيل بقع ASC، ويتداخل مع تجميع وتفعيل إنزيم NLRP3 [63]. ASC في البلعميات المشتقة من النخاع والعُقَد الشجرية منعت تفاعل STING مع TBK1 في الأسفل، مما أدى إلى تقليل تحفيز النوع الأول من IFN [34]. ومن المثير للاهتمام، وجود علاقة سلبية بين تعبير ASC وIFN- تمت ملاحظة مستويات مماثلة أيضًا في مرضى السل [34]. باختصار، فإن مجال CARD في ASC ضروري لتنظيم مسار الإشارة cGAS-STING (الشكل 1).

باستثناء ما تم وصفه أعلاه، هناك العديد من الإنفلامازومات الأخرى، مثل NLRX1 وNLRP2 وNLRC3 وNLRC4 وNLRC5 وNLRP6 وNLRP12 [64-70]. أظهرت الدراسات الحديثة الأدوار الناشئة لـ NLRs في مسار الإشارة cGAS-STING. تؤثر معظم NLRs بشكل إيجابي على الاستجابات الالتهابية، وخاصة إنفلامازومات NLRs. ومع ذلك، كشفت الدراسات الناشئة أن NLRC3 تؤثر سلبًا على استجابة IFN من النوع الأول من خلال احتجاز وتخفيف تنشيط STING [63، 67، 68]. يرتبط NLRC3 بالحمض النووي الفيروسي وأحماض نووية أخرى عبر مجاله LRR، مما يعزز نشاط ATPase للأحماض النووية. علاوة على ذلك، فإن ارتباط ATP بـ NLRC3 يقلل من تفاعله مع STING، مما يؤدي إلى تقليل إنتاج IFN- و IL-6 [67، 68]. يتفاعل NLRC3 أيضًا مع البروكاسبيز 1 و ASC من خلال مجال CARD الخاص به، مما يمنع تشكيل inflammasomes NLRP3 و NLRC4 ويعوق المزيد من موت الخلايا النخرية [63]. مشابهًا لـ NLRC3، يتفاعل NLRX1 مع STING من خلال مجاله المرتبط بالنيوكليوتيدات (NBD)، مما يؤدي إلى حظر تفاعل STING-TBK1 وبالتالي تثبيط تنشيط TBK1 المطلوب لنوع إنتاج IFN [69]. يتفاعل NLRP2 مباشرة مع TBK1، مما يعطل تفاعل TBK1-IRF3 ويتداخل مع فسفرة IRF3 المستحثة بواسطة TBK1، وبالتالي يثبط إشارات IFN [70]. يقوم NLRP4 بتنظيم سلبى لنقل إشارة IFN من النوع الأول من خلال تنشيط TBK1، الذي يتم تحلله بواسطة ubiquitination المرتبطة بـ K48 بواسطة

ليغاز اليوبكويتين E3 DTX4 [71]. يحد NLRP11 من تنشيط IFN من النوع الأول عن طريق إعاقة IFN الناتج عن TBK1. نشاط المحفز، مما يشير إلى احتمالية مشاركته في مسار الإشارات cGAS-STING [72]. تفاعلت NLRP14 جسديًا مع مكونات STING وسهلت ubiquitination وتحلل TBK1، الذي وسع التفاعلات والوظيفة المثبطة [73]. ترتبط NLRP6 بـ RNA الفيروسي عبر RNA helicase Dhx15 وتتفاعل مع MAVS (إشارات مضادة للفيروسات الميتوكوندرية) لتحفيز إنتاج النوع IFN [74]. NLRC4 يعزز مسار cGAS-STING من خلال تعزيز تفاعل TBK1 مع الليغاز E3 يوبكويتين CBL لتعزيز تعدد اليوبكويتين المرتبط بـ K63 وتنشيط TBK1 لاحقًا [75، 76]. علاوة على ذلك، فإن NLRC5 لديه القدرة على تحفيز إنتاج النوع IFN والسيتوكينات المؤيدة للالتهاب بواسطة الخلايا الليفية والخلايا البشرية الأولية عند إصابتها بفيروس السيتوميجالو أو فيروس سينداي [77، 78].

مسار الإشارة cGAS-STING-NLRP3 هو آلية محددة تسهل تنشيط inflammasome NLRP3 وإفراز IL- استجابةً لعدوى فيروس الحمض النووي وتحفيز الحمض النووي السيتوبلازمي (الشكل 2). في خلايا النخاع العظمي البشرية، كانت مسار cGAS-STING ضرورية لتنشيط NLRP3 الناتج عن الحمض النووي السيتوبلازمي خلال العدوى الفيروسية والبكتيرية [79]؛ وبالمثل، أظهرت الدراسات أن محور STING-NLRP3 حاسم للاستجابة الالتهابية الناتجة عن Chlamydia trachomatis والبلعميات القديمة [80، 81]. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي STING-IRF3 إلى تحفيز خلل وظيفي قلبي ناتج عن LPS، والتهاب، وبيروبتوسيس من خلال تنشيط NLRP3 في الفئران [82]. بالإضافة إلى ذلك، في العدلات الفأرية المصابة بالإنتان، أدى تقليل NAT10 إلى تثبيط تعبير ULK1، وتنشيط مسار cGAS-STING، وتحفيز تنشيط inflammasome NLRP3، وبالتالي تعزيز بيروبتوسيس العدلات [83]. علاوة على ذلك، تم تنشيط مسار cGAS-STING في متلازمات خلل التنسج النقوي (MDS) لتحفيز الجينات المستجيبة للإنترفيرون (ISG)، مما أدى إلى تنشيط inflammasome NLRP3 [84].

خلال العدوى الفيروسية والبكتيرية في خلايا النخاع العظمي البشرية، كان NLRP3 مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بمسار cGASSTING العلوي، مما أدى إلى تنشيط inflammasome NLRP3 وتنسيق موت الخلايا الليزوزومية (LCD) في بطريقة تعتمد على التدفق [79]. تم التعرف على الحمض النووي السيتوبلازمي بواسطة cGAS، ثم تم تنشيط STING ونقله إلى الليزوزوم، مما أدى إلى اختراق الغشاء وتسبب في LCD [85]. تسرب الكاتيبسين المذاب من الليزوزوم إلى السيتوبلازم، مما غير نفاذية الغشاء البلازمي، ونشط تدفق خارج upstream من NLRP3

وأدى في النهاية إلى تحفيز البيروبتوز [79]، مما أثار سلسلة من استجابات الشلال الالتهابي. باختصار، فإن تنشيط إنزيم NLRP3 الناتج عن الحمض النووي يعتمد على محور cGAS-STING-LCD، واستهداف هذا المسار من شأنه تحسين الاستجابة الالتهابية المرتبطة بتحفيز مستقبلات الحمض النووي السيتوبلازمي.
تشير الدراسات المتاحة إلى أن تفاعل STING مع NLRP3 استجابةً لتحفيز الحمض النووي السيتوبلازمي يعزز تنشيط inflammasome NLRP3 بعدة طرق. أولاً، قام STING بتجنيد NLRP3 لتعزيز موضعه في الشبكة الإندوبلازمية، مما يعزز تشكيل inflammasome NLRP3. ثانياً، تفاعل TM5 (151-160aa) من STING مع مجال NACHT و LRR في NLRP3 لتقليل تعدد يوبكويتين NLRP3 المرتبط بـ K48 و K63، أي أن STING قام بإزالة يوبكويتين.

تم تنشيط NLRP3 لجهاز الالتهاب NLRP3 [86]. ثالثًا، في دراسة آلية تنظيمية تفاعلية، وُجد أن مثبطات ميثيل ترانسفيراز الهيستون WDR5 المحددة لـ H3K4 و DOT1L المحددة لـ H3K79 تقلل بشكل كبير من زيادة تعبير NLRP3 الناتجة عن فرط التعبير STING، مما يشير إلى أن STING يعزز ميثيل الهيستون في منطقة محفز NLRP3 عبر WDR5/ DOT1L، وبالتالي يجذب IRF3 لزيادة نسخ NLRP3 [87].

AIM2 هو العضو الوحيد في عائلة جينات PYHIN الذي يتشابه بشكل حقيقي بين الفأر والإنسان [88]، وقد أظهرت دراسات اكتساب الوظيفة وفقدان الوظيفة على المستوى الخلوي أن AIM2 البشري يعمل بنفس الطريقة التي يعمل بها نظيره في الفأر.

AIM2 [89]. وبالتالي، يمكن استنتاج دراسات AIM2 في نظام الفئران إلى البشر. AIM2، وهو مستشعر فطري لفيروس الكناري ALVAC، يحفز تنشيط الانفلامازوم في خلايا تقديم المستضدات البشرية والفئران. تكشف تحليلات CRISPR/Cas9 أن ALVAC نشط الانفلامازوم AIM2 من خلال تحفيز مسار cGAS-IFI16-STING من النوع I IFN [90]. تم استشعار الحمض النووي السيتوبلازمي في الميكروغليا الناقصة لـ ataxia-telangiectasia mutated (ATM) بواسطة cGAS، مما أدى إلى تنشيط مسار cGAS-STING لبدء استجابة مضادة للفيروسات، وتحفيز تنشيط الانفلامازوم AIM2 [91]. أدى تنشيط مسار STING أثناء عدوى Francisella إلى تعزيز إنتاج IFN من النوع I وتعبير IRF1، مما أدى إلى تحفيز بروتينات ربط الجوانيلات (GBPs) التي تستهدف الحويصلات البكتيرية لتعطيل أغشيتها، مما يسمح للمنتجات البكتيرية بأن تُستشعر بواسطة AIM2 ومن ثم تنشيط الانفلامازوم AIM2 [92]. كان مسار الإشارة المعتمد على STING من النوع I IFN ضروريًا لإطلاق الحمض النووي لبروسيلا إلى السيتوسول ومن ثم تنشيط AIM2 [93]. بشكل جماعي، تشير هذه البيانات إلى أن محور إشارة STING-induced type إن IFN ضروري لإطلاق الحمض النووي السيتوبلازمي لتنشيط إنزيم AIM2 (الشكل 2).

تعتبر استجابات الإنترفيرون من النوع الأول الناتجة عن تكاثر أو استقلاب المتدثرة الحثرية عوامل وسيطة حاسمة في تنشيط الإنفلامازوم والموت الخلوي النخر في البلعميات. يؤدي الإشارات المعتمدة على cGAS-STING من TNF وIFN إلى تحفيز الموت الخلوي النخري استجابةً للحمض النووي السيتوزولي. بالإضافة إلى ذلك، ينشط الحمض النووي الميتوكوندري مسار STING الذي يعزز بعد ذلك تعبير RIPK3/MLKL لتحفيز الموت الخلوي النخري. تشير الأدلة الناشئة إلى أن الضغط على الشبكة الإندوبلازمية المرتبط بتنشيط STING يمكن أن يحفز الموت الخلوي المبرمج. لذلك، يمكن أن يؤدي الإشارات المعتمدة على cGAS-STING إلى تحفيز مسارات موت الخلايا المتعددة بما في ذلك الموت الخلوي النخري، الموت الخلوي المبرمج، والموت الخلوي النخري، وسيتطلب فهم أفضل للآليات التنظيمية عبر أنواع الخلايا المختلفة، والحالات، والصحة، والآليات المعتمدة على البيئة و/أو المحفزات مزيدًا من التحقيق. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال الدور الرئيسي الذي تلعبه مسار الإشارات cGAS-STING في مسارات موت الخلايا المتعددة، مثل الموت الخلوي المبرمج الجديد PANopoptosis، والفيروبتوز، والكوبروتوز، بحاجة إلى دراسة واستكشاف شامل. سيساعد التوضيح الميكانيكي الإضافي في الإجابة على أسئلة مثل ما الذي يحدد التنظيم الثنائي الاتجاه لـ cGAS-STING ومسارات موت الخلايا. والأهم من ذلك، ستوفر الإجابات على هذه الأسئلة الحاسمة طرقًا وأساليب جديدة لاستهداف مسارات موت الخلايا المعتمدة على cGAS-STING لعلاج الأمراض المعدية، والأمراض الالتهابية، وما إلى ذلك.

تنظم الميتوكوندريا الجهاز المناعي الفطري من خلال إطلاق العديد من الإشارات المؤيدة للالتهابات، مثل أنواع الأكسجين التفاعلية الميتوكوندريا (mtROS) والحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA) و “، وهو أمر حيوي لتنشيط مسارات الإنفلامازومات و cGAS-STING (الشكل 2) [99-102]. تعرض الحمض النووي الميتوكوندري الجديد الذي تم تصنيعه حديثًا ل ROS يؤدي إلى إنتاج الحمض النووي الميتوكوندري المؤكسد (Ox-mtDNA) [103]. تم إصلاح Ox-mtDNA إما بواسطة 8-أوكسوغوانين-دي إن إيه غليكوزيل (OGG1) أو تم تقطيعه إلى شظايا بواسطة إنزيم الإندونيوكلياز المحدد لبنية الفلّاب 1 (FEN1). تسربت هذه الشظايا من الميتوكوندريا عبر قنوات تعتمد على 1-ميثيل-4-فينيل-1،2،3،6-تتراهيدروبيريدين (mPTP) وقنوات تعتمد على الجهد (VDAC) وأثارت تنشيط إنزيم NLRP3 في السيتوبلازم [104]. كما أدت شظايا الحمض النووي الميتوكوندري المؤكسد (Ox-mtDNA) إلى فسفرة موقع STING Ser365، الذي كان مطلوبًا لارتباط cGAS-STING وتنشيط النوع. استجابة IFN [104]. يعتبر النسيج الدهني البني (BAT) عضوًا حراريًا مهمًا، حيث ينظم عملية الأيض الطاقي من خلال التوليد الحراري [105-107]. يرتبط التهاب BAT بخلل في الميتوكوندريا وضعف التوليد الحراري [108-110]. تم التخلص من mtROS بواسطة الثيوريدوكسين-2 الميتوكوندري (TRX2)، وأدى نقص TRX2 إلى إنتاج ضخم من mtROS، وتدمير سلامة الميتوكوندريا، وإطلاق mtDNA في السيتوسول، مما أدى إلى تنشيط استجابات المناعة الفطرية الشاذة في BAT، بما في ذلك مسارات cGAS-STING و NLRP3 inflammasome [111].

أدى نقص XBP1 إلى إنتاج مفرط للجذور الحرة التفاعلية لتعزيز نخر الخلايا الكبدية من خلال تنشيط NLRP3 وإشارات النخر، مما سهل إطلاق الحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA) إلى الفضاء خارج الخلوي. تم ابتلاع الحمض النووي الميتوكوندري الذي تم إطلاقه من خلايا الكبد المتأثرة بالثيوأسيتيمايد (TAA) بواسطة البلعميات، مما أدى إلى تحفيز تنشيط STING في البلعميات المعتمد على cGAS والجرعة [112]. كما يلعب استجابة الإجهاد التأكسدي الميتوكوندري دورًا في العدوى البكتيرية. أدى إطلاق الحمض النووي الميتوكوندري الناتج عن الإجهاد التأكسدي الميتوكوندري في العدوى البكتيرية إلى إفراز النوع الأول من الإنترفيرون عبر مسار cGAS-STING وأدى إلى تنشيط inflammasome NLRP3 [113، 114]. سهل المتفطرة القيحية إنتاج Ox-mtDNA لتعزيز إنتاج الإنترفيرون المعتمد على cGAS-STING وتنشيط IL-1 بواسطة inflammasome NLRP3. [115]. أدى mtROS/mtDNA داخل الخلايا إلى تكاثر البكتيريا بعد تمزق الفاجوسوم وهروبها إلى السيتوبلازم، مما أدى إلى تعطيل سلامة الغشاء في نوع بطريقة تعتمد على IFN [115]. من ناحية أخرى، قام نوع I من IFN بتثبيط تنشيط inflammasome NLRP3 عبر مسار STAT
[116، 117]. بالإضافة إلى ذلك، فإن توليد أكسيد النيتريك سينثاز (iNOS) بواسطة IFN من النوع الأول وNO يمنع تكتل بروتين NLRP3، مما يمنع تجميع inflammasome NLRP3 [118].

لا يعزز GSDMD فقط الإفراج الفعال عن IL-1 و IL-18، ولكنه يعمل أيضًا كعامل نهائي للانتحار الخلوي. وظيفة أخرى لـ GSDMD هي تعزيز الإفراز غير الانتقائي لـ في الخلايا. أثناء العدوى بـ . تم تثبيط الإنترفيرونات المستحثة بواسطة cGAS بواسطة GSDMD تدفق، وتم العثور على نقص GSDMD لمنع السيتوبلازم تدفق الخروج وزيادة ارتباط dsDNA بـ cGAS، مما ينشط مسار cGAS-STING ويعزز إفراز IFNs [62]، مما يشير إلى أن GSDMD يثبط إفراز IFNs المعتمد على cGAS. علاوة على ذلك، نظرًا للدور المركزي لمسار cGAS في الاستجابة المناعية الفطرية، من المتوقع أن تؤدي التعديلات والتغييرات المختلفة على cGAS إلى التحكم في نشاطه. تشير الدراسات الإضافية إلى أن أعضاء الدافع الثلاثي 56 (TRIM56) حفزوا أحادي يوبكويتين ليز335 لـ cGAS، مما أدى إلى زيادة ملحوظة في ثنائيته، ونشاط ارتباطه بـ DNA، وإنتاج cGAMP من cGAS [119، 120]. باختصار، يؤدي dsDNA البكتيري إلى تنشيط inflammasomes، ويؤدي إلى انقسام GSDMD، ويسبب التدفق الخارجي، مما يحد من ارتباط الحمض النووي المزدوج السلسلة البكتيري بـ cGAS، مما يعيق تنشيط مسار cGAS-STING، ويعطل الاستجابة الالتهابية للإنترفيرونات (الشكل 2).

كنقل أول إنزيم أستيل ترانسفيراز RNA تم التعرف عليه، يقوم N-acetyltransferase 10 (NAT10) بتحفيز الأستيلation N4 للسيتيدين (ac4C) لتنظيم استقرار mRNA والترجمة، وهو مرتبط بمجموعة متنوعة من العمليات الخلوية بما في ذلك انقسام الخلايا، الشيخوخة الخلوية، الالتهام الذاتي، وإصابة الحمض النووي [121، 122]. تلعب العدلات دورًا مهمًا في تقدم الإنتان كخلايا فعالة رئيسية ضد العدوى وكمنظمين مهمين للمناعة الفطرية [123]. خلال الإنتان، تم إطلاق كميات كبيرة من منتجات البكتيريا (مثل، CpG DNA) بالإضافة إلى الحمض النووي الخاص بالمضيف (بما في ذلك الحمض النووي النووي والميتوكوندري) إلى السيتوبلازم، مما أدى إلى تنشيط cGAS-STING والاحتضار النخرى [124]. كان NAT10 منظمًا سلبيًا لاحتضار العدلات، وأدى انخفاض تعبيره إلى زيادة احتضار العدلات وإفراز كميات كبيرة من السيتوكينات المؤيدة للالتهاب IL-1. و IL-18 [83]. في العدلات، أدى تقليل تنظيم NAT10 إلى انخفاض في مستوى تعبير كيناز UNC-52-like 1 (ULK1). على النقيض من ذلك، كمنظم لفسفرة STING، أدى حذف ULK1 إلى تنشيط مسار STING-IRF3، الذي تبعه
أدى إلى تنشيط inflammasome NLRP3 واحتضار العدلات [125]. من ناحية أخرى، تم إظهار أن ULK1 يشارك في البلعمة الذاتية لـ NLRP3، مما يشير إلى أن ULK1 له تأثير تنظيمي مباشر على inflammasome NLRP3 بالإضافة إلى تثبيط STING (الشكل 2) [126].

cGAMP، كرسول ثانوي، يرتبط مباشرة بـ STING واصطناعه الرئيسي العلوي cGAS، مما ينشط TBK1، ويحفز IRF3 وNF-кB إلى النواة، وينتج النوع IFN والسيتوكينات، ودافعت ضد مختلف العدوى الفيروسية. أظهرت الدراسات أن cGAMP زاد من تنشيط إنزيمات AIM2 وNLRP3 عبر cGAS-STING (الشكل 2). أدى cGAMP إلى تنشيط إنزيمات AIM2 وNLRP3 بالإضافة إلى IFN من النوع الأول من خلال زيادة mRNAs التي تشفر المكونات الرئيسية للإنزيم (AIM2، NLRP3، Casp1، IL-1 ، و ASC)، مما يمنع عدوى فيروس الحمض النووي [127].

استجابة المناعة المنسقة بشكل جيد ضرورية للتعرف على التهديدات والقضاء عليها من المواد الأجنبية والأضرار النسيجية. ومع ذلك، يمكن أن تسهم الالتهابات غير المنضبطة في علم الأمراض للأمراض الالتهابية المزمنة والتنكسية، فضلاً عن السرطان. تلعب الالتهابات المزمنة دورًا بارزًا في دفع تكوين السرطان، حيث ترتبط حالات الالتهاب المزمن المختلفة بزيادة خطر الإصابة بالسرطان. يؤدي ذلك إلى تراكم تلف الحمض النووي وإنتاج السيتوكينات الالتهابية المحلية. في النهاية، يتحول النمط الظاهري نحو توازن منزلي متغير ويصبح استجابة بشكل لا رجعة فيه للالتهاب المستمر، مما يؤدي إلى الخباثة [128-130]. تدعم الدراسات الحديثة فكرة أن الالتهاب يؤثر على مصير مكونات مختلفة داخل البيئة الدقيقة المعقدة للورم، مما يخلق في النهاية بيئة تعزز الورم من خلال التواصل المتبادل الذي يعزز تكوين السرطان إما من خلال الطفرات المباشرة أو عن طريق تنشيط استجابات السيتوكين التي تشكل استجابة المضيف بشكل فعال [128، 131].

هناك أدلة متزايدة على أن خطر تطوير الالتهاب المزمن يمكن تتبعه إلى مراحل التطور المبكرة، وأن عواقبه معروفة الآن بأنها تمتد طوال فترة الحياة، مما يؤثر على الصحة وخطر الوفاة في مرحلة البلوغ [132-134]. لذلك، فإن “النار الالتهابية” التي أشعلتها استجابة المضيف تتطلب إدارة دقيقة لتجنب انتشارها والتسبب في أضرار لا يمكن عكسها. لقد أظهرت الأدلة الحديثة أن تنشيط محور cGAS-STING استجابةً لتحفيز الحمض النووي السيتوزولي قد شارك
في تنشيط الانفلامازوم [79، 86] والاحتضار الناتج عن GSDMD [135]، والذي يتميز بخلل في وظائف الجهاز المناعي والإفراز الشاذ للسيتوكينات الالتهابية. نتيجة لذلك، فإن التفاعل بين محور cGAS-STING والانفلامازوم والاحتضار يبني مجموعة واسعة من أنظمة المراقبة المهمة استجابةً لتلف الأنسجة وغزو مسببات الأمراض. تسبب الشذوذات في هذا التواصل المتبادل مجموعة متنوعة من الأمراض البشرية، بما في ذلك الأمراض المعدية، والأمراض المناعية الذاتية، والأورام، وتليف الأعضاء، والأمراض التنكسية العصبية [11، 136-138]. نظرًا للدور الحاسم لـ cGAS-STING والانفلامازوم والاحتضار في الاستجابات المناعية والالتهابية، ركزنا بعد ذلك على الأمراض ذات الصلة التي تسببها شبكة التواصل هذه بهدف تقديم أدلة على الوقاية والعلاج (الشكل 3).

يمكن أن ينشط مسار cGAS-STING الانفلامازوم NLRP3، مما يؤدي إلى تفاقم الالتهاب في عضلة القلب وتعزيز خلل القلب. في خلايا القلب، يرتبط STING بـ IRF3 ويقوم بفوسفرة IRF3، الذي ينتقل بعد ذلك إلى النواة ويزيد من تعبير NLRP3 [82]. على النقيض من ذلك، فإن تقليل STING يمنع فوسفرة IRF3 والنقل المحيط بالنواة، مما يثبط التهاب خلايا القلب الناتج عن NLRP3 والاحتضار، مما يحسن وظيفة القلب ويزيد من البقاء [82]. أيضًا، في اعتلال عضلة القلب السكري (DCM)، أدى إنتاج الأحماض الدهنية الحرة إلى تلف ميتوكوندري أكسيدي، ونشط مسارات الإشارة cGAS-STING وNLRP3، وفي النهاية عزز تضخم عضلة القلب في DCM من خلال تعزيز احتضار خلايا القلب [139]. تنشيط STING

عززت تضخم القلب الناتج عن GSDMD [140]. باستمرار، أدى تقليل STING في خلايا القلب في DCM إلى تقليل الاحتضار القلبي والاستجابات الالتهابية، وقام بتثبيط تضخم القلب الناتج عن DCM، واستعادة وظيفة القلب [139]. لذلك، قد يكون استهداف STING في خلايا القلب، والانفلامازوم NLRP3، والاحتضار استراتيجية علاجية محتملة لمنع اعتلال عضلة القلب.

تعتبر البلعميات أكثر خلايا المناعة وفرة في نسيج الرئة، ويعد تثبيط مسارات الإشارة الالتهابية في البلعميات أمرًا ضروريًا للحفاظ على توازن الأنسجة. من المرجح أن تظهر البلعميات الشيخوخة الخلوية، والميتوكوندريا المعطلة، والتنشيط الشاذ لمسارات cGAS-STING وNLRP3، مما يعرض الفئران للإصابة الشديدة بالالتهاب الرئوي الفيروسي أثناء العدوى [141]. نشط الحمض النووي الميتوكوندري السيتوبلازمي وعامل النسخ STING (c-Myc) بشكل تآزري مسار cGAS-STING في ALI الناتج عن LPS، مما زاد من تفاقم التهاب ALI من خلال تحفيز تنشيط الانفلامازوم NLRP3 والاحتضار [142، 143]. تم إدخال المحفز STING diamidobenzimidazole (diABZI) إلى السيتوبلازم وأدى إلى تنشيط STING وتكوين ثنائي، وزيادة apoptosis، والاحتضار، والنيكروبوز (PANoptosis)، مما زاد من التهاب الرئة مع متلازمة الضائقة التنفسية الحادة الشديدة [144]. تسرب الحمض النووي الذاتي dsDNA الناتج عن العلاج الإشعاعي إلى الفضاء القصبي الهوائي وأدى بعد ذلك إلى تنشيط cGAS-STING والاحتضار الناتج عن NLRP3، مما يوفر أساسًا آليًا للاحتضار الذي يربط تنشيط cGAS-STING بتفاقم إصابة الرئة الناتجة عن الإشعاع [145]. باختصار، تساهم مسارات cGAS-STING-NLRP3 السيتوبلازمية في ALI الناتج عن LPS. بناءً على هذه النتائج، قد يكون استهداف مسارات cGAS-STING-NLRP3 السيتوبلازمية هدفًا علاجيًا لـ ALI.

يعتبر الكبد هدفًا رئيسيًا للسموم والإصابات الحادة كونه العضو الرئيسي لإزالة الأدوية المختلفة والجراثيم الأجنبية. يعتبر تسرب البلعميات سمة من سمات التهاب الكبد، ويعد تنشيط البلعميات لمسارات cGAS-STING والانفلامازوم من المحركات المهمة للعديد من أمراض الكبد [146-149]. لوحظ زيادة تنشيط STING في كبد الإنسان والفأر مع التهاب الكبد الدهني غير الكحولي [150، 151]. ساعد تنشيط STING في البلعميات في إصابة الكبد الإقفارية الحادة الناتجة عن إفراز الحمض النووي الميتوكوندري من الخلايا الكبدية المصابة [81]. أدى الحمض النووي الميتوكوندري الناتج تحت ضغط الأكسدة لإصابة الكبد إلى تنشيط الانفلامازوم NLRP3 [152]. التجارب أدت إلى تليف الكبد
وزيادة تنشيط cGAS-STING في نسيج الكبد، بينما أدى نقص STING إلى تقليل التهاب الكبد وتليفها [153-155]. أظهرت تسلسلات RNA من أكباد الفئران مع -تليف الكبد أن مسارات إشارة STING والانفلامازوم NLRP3 تم تنشيطها خلال تليف الكبد، وتم التحقق من تنشيط هذين المسارين أيضًا في أنسجة الكبد المتليفة لدى البشر والفئران [87]. يتم تنشيط مسارات إشارة STING وNLRP3 في التليف الكبدي، وكلا من تقليل STING ومثبط STING C-176 قد قاما بتثبيط تعبير NLRP3 واحتضار الخلايا الكبدية بشكل كبير [87]، مما يشير إلى أن STING يمكن أن يحفز احتضار الخلايا الكبدية من خلال تنشيط الانفلامازوم NLRP3.

يساهم موت الخلايا المبرمج في الكبد بواسطة GSDMD في تسريع تطور الأمراض الكبدية الحادة والمزمنة [156-159]. في الفئران، أدى تنشيط إنزيم NLRP3 إلى موت الخلايا المبرمج في الكبد، والتهاب الكبد، وتليف الكبد [158]. بالإضافة إلى ذلك، أدى موت الخلايا المبرمج في الكبد بواسطة الكاسبيز-1 وGSDMD إلى تنشيط الخلايا النجمية من خلال إطلاق عوامل التهابية، مما يعزز تطور تليف الكبد [159]. تسبب STING في إصابة نقص تروية الكبد وإعادة التروية (IRI) من خلال تعزيز الكاسبيز-1-GSDMD المعتمد على الكالسيوم في البلعميات، وزاد تعبير STING مع زيادة IRI الكبدي، بينما أدى تقليل STING إلى تقليل IRI الكبدي [160]. تلعب ROS أيضًا دورًا رئيسيًا في موت الخلايا المبرمج في الكبد [161، 162]. أدى زيادة مستويات ROS إلى تعزيز انقسام GSDMD، وتنشيط الطرف N من GSDMD، وتحفيز تشكيل ثقوب في غشاء الخلية، مما يعزز الموت المبرمج [163، 164]. بالإضافة إلى ذلك، في إصابة الكبد الناتجة عن TAA، زادت نشاط ROS-NLRP3-caspase-1-GSDMD في الخلايا الكبدية وتم الكشف عن موت الخلايا المبرمج في الكبد [112]. أدى نقص XBP1 في الخلايا الكبدية إلى تعزيز إنتاج ROS لتنشيط إشارة NLRP3-Caspase-1-GSDMD، مما عزز الإفراج الخارجي عن mtDNA وابتلاع البلعميات لـ mtDNA، مما زاد من تنشيط مسار cGAS-STING، وبالتالي تعزيز موت الخلايا المبرمج في الكبد [112].

تُميز إصابة الكلى الحادة (AKI) بتقدم سريع لفقدان وظيفة الكلى، مما يمكن أن يؤدي إلى مرض الكلى المزمن (CKD) ومرض الكلى في المرحلة النهائية (ESRD) [165، 166]. تشير الدراسات الحديثة إلى أن الاستجابات الالتهابية المزمنة المرتبطة بالحمض النووي الميتوكوندري (mtDNA) مرتبطة بتسبب إصابة الكلى الحادة وتطور مرض الكلى المزمن [167-169]. تم تحفيز تلف الميتوكوندريا في إصابة الكلى الحادة، مما أدى إلى تسرب الحمض النووي الميتوكوندري إلى السيتوبلازم وتنشيط مسار cGAS-STING، الذي فوسفورل TBK1 وIRF3، وعزز إفراز العوامل الالتهابية وزاد من شدة الاستجابة الالتهابية [168]. تنشيط مسار cGAS-STING
تمت ملاحظته في نماذج الفشل الكلوي الحاد المتعددة في الفئران ومرضى الفشل الكلوي الحاد. أظهرت الفئران التي تم حذف جين STING انخفاضًا في وظيفة الكلى، وتلف الأنابيب، والالتهاب بعد علاج السيكلوفسفاميد. بالإضافة إلى ذلك، كان لـ STING دور في الالتهاب الكلوي الثانوي وإصابة الأنابيب. لعبت مسارات STING وNLRP3 inflammasome أدوارًا مهمة في انسداد الحالب الأحادي، والتهاب الكلى الأنبوبي الناتج عن الأدينين، والفشل الكلوي المزمن. أدى تعبير بروتين الشحم G2 من نوع APOL1 (G2 APOL1) في خلايا كلى الفئران إلى تنشيط cGAS-STING وNLRP3 inflammasome، وكان تعبير APOL1 مرتبطًا بمستويات الكاسبيز-1 وGSDMD. في نموذج RIAKI للفئران، على الرغم من أن نقص AIM2 منع موت الماكروفاجات الكلوية، إلا أنه زاد بشكل مفاجئ من الالتهاب غير الطبيعي كما يتضح من تجمع الماكروفاجات الضخم. ) وتنشيط مسار cGAS-STING-TBK1-IRF3، الذي عزز بعد ذلك نضوج وإفراز السيتوكينات المؤيدة للالتهابات. في الوقت نفسه، هربت خلايا AIM2 الناقصة من الإزالة السريعة الناتجة عن البيروبتوس وشاركت في مسارات STING-TBK1-IRF3/NF-кВ، مما أدى إلى تفاقم الظواهر الالتهابية [33]. تشير هذه النتائج إلى أن الموت السريع لخلايا البلعميات الناتج عن dsDNA قد يعمل كبرنامج مضاد للالتهابات وقد يحدد عملية الشفاء من RIAKI.

الميكروغليا هي وسطاء مهمون للالتهاب العصبي والاستجابة المناعية بعد إصابة الجهاز العصبي المركزي [176، 177]. يرتبط موت الميكروغليا الناتج عن إنزيم NLRP3 بمسار مرضي للنزيف تحت العنكبوتية [178]، وإصابة نقص التروية/إعادة التروية الدماغية [179، 180]، وإصابة الحبل الشوكي [181]. أظهرت الدراسات الحديثة أن الحمض النووي السيتوبلازمي يحفز تنشيط إنزيمات NLRP3 وAIM2 ويؤدي إلى موت الميكروغليا الناتج عن GSDMD من خلال تنشيط مسار cGAS-STING [79، 86، 91، 135]. من المهم أن الزيادة في cGAS وSTING حدثت بشكل رئيسي في الميكروغليا في القشرة التالفة بعد تجلط الجيب الوريدي الدماغي (CVST)، وتم الإبلاغ عن نفس الموقع الخلوي في نماذج نقص التروية/إعادة التروية الدماغية (I/R) [135] ونماذج النزيف تحت العنكبوتية [5]. أدى تراكم الحمض النووي مزدوج الشريطة على أغشية الخلايا إلى تنشيط مسار cGAS-STING في الأوردة داخل الجمجمة وCVST، مما أدى بعد ذلك إلى تنشيط إنزيم NLRP3، وموت الميكروغليا، وزيادة العبء الالتهابي العصبي [182]. يعتبر الفوسفات المتزايد في بروتين تاو في الدماغ سمة مرضية مهمة للمرضى الذين يعانون من أمراض التنكس العصبي. أدى تاو إلى تنشيط إنزيم NLRP3، مما أدى إلى زيادة الفوسفات في تاو وتفاقم الالتهاب العصبي، والبيولوجيا.
يمكن أن يُعزى هذا العملية إلى النشاط المحفز للمناعة، وخاصة مسار cGAS-STING. زاد المحفز STING CMA بشكل كبير من تعبير STING في الخلايا الدبقية بعد النزيف تحت العنكبوتية (SAH) وزاد من تفاقم تلف الخلايا العصبية. بالإضافة إلى ذلك، في أدمغة المرضى الذين يعانون من أمراض تنكس عصبي مختلفة، كان مستوى كيناز السيروم/الجلوكوكورتيكويد المرتبط 1 (SGK1) مرتفعًا. يتم الكشف عن تعبير SGK1 على نطاق واسع في الدماغ، ويزداد في الظروف المرضية مثل متلازمة ريت، مرض الزهايمر، التصلب المتعدد، التصلب الجانبي الضموري، والألم العصبي، مما يشير مجتمعة إلى أن SGK1 يلعب أدوارًا مسببة للأمراض في الاضطرابات التنكسية العصبية. إن تثبيط SGK1 الدبقي يصحح الخصائص المؤيدة للالتهاب للخلايا الدبقية من خلال تقليل NF-кB داخل الخلايا، والانفلامازوم NLRP3، ومسارات الالتهاب التي تتوسطها cGAS-STING. أدى تنشيط مسار cGAS-STING في الفئران المصابة بمرض الزهايمر إلى تحفيز تكوين الانفلامازوم NLRP3، وزيادة الشيخوخة الخلوية والاستجابات الالتهابية، وأظهر علاج النياسيناميد ريبوزيد (NR) تأثيرات مفيدة من خلال مسار cGAS-STING. علاوة على ذلك، كانت استجابة الالتهاب التي أدت إلى تنشيط الخلايا الدبقية مرتبطة بالعجز العصبي بعد إصابة الدماغ الرضحية (TBI). على النقيض من ذلك، فإن تنشيط cGAS-STING في الخلايا الدبقية عزز الاستجابات العصبية الالتهابية بعد TBI، جزئيًا من خلال تنشيط الانفلامازوم NLRP3. في الختام، قد يعمل مسار الإشارة cGAS-STING-NLRP3 كهدف علاجي محتمل للخلل العصبي الناتج عن الالتهاب العصبي.

تساهم إنزيمات NLRP3، والاحتضار النخرى، ونظام cGAS-STING في الالتهاب العصبي في متلازمات خلل التنسج النقوي (MDSs) وإصابة الحبل الشوكي (SCI) [84، 195]. أدى تنشيط cGAS-STING إلى تفعيل عامل التحفيز على الإنترفيرون (ISG)، مما أدى إلى تنشيط إنزيم NLRP3 وزيادة إصابة نخاع العظم [84]. كشفت دراسات إضافية أن الكاسبيز-1 قام بتفكيك عامل النسخ الخاص بخلايا الدم الحمراء GATA-binding protein 1، مما أدى إلى تحفيز فقر الدم والانحياز النخاعي لتفاقم الإصابة [84]. أظهرت خلايا جذعية ومؤسسة الدم (HSPCs) في MDSs زيادة في التعبير عن بروتينات الإنزيمات وأظهرت تنشيط إنزيم NLRP3 الذي أنتج مباشرة IL-1. و IL-18، وأدى إلى البيروبتوز [196]. كما هو الحال مع الطفرات الجسدية، فإن البروتين الزائد S100A9 في بلازما نخاع العظم نشط أكسيداز NADPH (NOX)، وزاد من مستويات ROS، وكشف الحمض النووي السيتوبلازمي لمحور cGAS-STING-NLRP3، وعزز البيروبتوز [196]. بالإضافة إلى ذلك، تم إظهار أن تنشيط cGAS-STING و NLRP3 في الميكروغليا الشوكية بعد إصابة العصب الوركي قد زاد من الالتهاب العصبي في الفئران [195]. كانت cGAS و STING و NLRP3 مرتبطة.
مع مدى تنكس القرص الفقري بواسطة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وعلم الأمراض النسيجية. بدأ الإجهاد التأكسدي تفعيل محور cGAS-STING المعتمد على STING والالتهاب الناتج عن NLRP3 في خلايا النواة اللبية البشرية. مجتمعة، تشير هذه البيانات إلى الدور الأساسي لمحور cGAS-STING-NLRP3 والالتهاب الناتج عن NLRP3 في تطور تنكس القرص الفقري وتقدم نهج علاج محتمل لإدارة آلام أسفل الظهر الناتجة عن الأقراص.

تنشيط مسار cGAS-STING يمنح مناعة للمضيف ويساهم في القضاء على العديد من مسببات الأمراض، بما في ذلك الفيروسات والبكتيريا. في الوقت نفسه، تم تحديد أن تنشيط STING المفرط والانفلامازوم يساهمان في تقدم الأمراض الالتهابية الذاتية مثل الذئبة الحمامية الجهازية (SLE) والتهاب المفاصل الروماتويدي (RA) وسرطان الدم النخاعي الحاد (AML) والإنتان ومتلازمة جفاف العين [83، 195، 198-202]. خلال SLE، أدى تنشيط STING والانفلامازوم NLRP3 إلى تنشيط الكاسبيز-1 وعزز نضوج وإفراز العوامل الالتهابية [198، 199]. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الخلايا الوحيدة في مرضى SLE تنشيطًا كبيرًا للكاسبيز-1 [200]. في سرطان الدم النخاعي الحاد (AML) مع طفرات TP53، أعرب العامل العلاجي مثبطات ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي (DNMTis) عن الفيروسات الراجعة الذاتية (ERVs) والإنترفيرونات ونشطت الانفلامازوم NLRP3 بطريقة تعتمد على STING [201]. بوليميراز الحمض النووي (بول تم تقليل ( ) بشكل ملحوظ في خلايا الدم المحيطية الوحيدة النواة (PBMCs) لمرضى التهاب المفاصل الروماتويدي (RA) والفئران المصابة بالتهاب المفاصل الناتج عن الكولاجين (CIA). كشفت دراسات إضافية أن بول أدى الخفض إلى تراكم تلف الحمض النووي وتسرب الحمض النووي المزدوج من غشاء الخلية، مما نشط مسارات الإشارات cGAS-STING-IRF3-NF-кВ وعزز الموت الخلوي النخرى [202].

تشير الأدلة المتزايدة إلى أن الاستجابة المناعية الفطرية حاسمة في تكوين الأورام والعلاج المضاد للأورام [130، 203]. في نماذج الفئران والمرضى السريريين، ثبت أن تنشيط مسار cGAS-STING يقلل من نمو الورم ويحسن المناعية [204]. عزز STING IL-18 و IL-1. توليد بواسطة البلعميات من خلال تنشيط NLRP3، و IL-18 و IL- مُستحث و التعبير في البلعميات وخلايا NK، على التوالي، مما سهل إشارة STING في البلعميات لتحسين الوظيفة المضادة للورم، وبالتالي قمع نقائل سرطان القولون في الكبد. لقد عزز مسار إشارة STING في البلعميات تنشيط إنزيم NLRP3، وزاد من الوظيفة المضادة للورم لخلايا NK، وقمع الكبد.
الانتقال من سرطان القولون والمستقيم [206]. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي تنشيط cGASSTING المرتبط بالالتهاب المزمن أيضًا إلى تعزيز انتشار الورم من خلال تحفيز بيئة الورم المثبطة للمناعة [9]. زاد cGAMP المنتج من خلايا السرطان من نمو الورم ومقاومته للعلاج الكيميائي من خلال تنشيط STING في الخلايا النجمية وإنتاج السيتوكينات الالتهابية [207].

يتميز COVID-19 الشديد باستجابة التهابية مفرطة، بما في ذلك تعبير كبير عن السيتوكينات، التي تشمل مجموعة واسعة من خلايا المناعة، بما في ذلك البلعميات والعدلات، التي تستشعر مسببات الأمراض والهياكل الذاتية التالفة وتؤدي بعد ذلك إلى تحفيز إنتاج الوسائط الالتهابية. تعتبر العدوى وتكاثر SARS-CoV-2 في خلايا المناعة داخل الرئة محركًا رئيسيًا للمرض. إن تنشيط inflammasome والاستجابة الالتهابية المصاحبة ضرورية لالتهاب الرئة في COVID-19. تعتبر مسار cGAS-STING، الذي يتحكم في المناعة تجاه الحمض النووي السيتوزولي، محركًا حاسمًا للاستجابات غير الطبيعية من النوع الأول من IFN في COVID-19. تؤثر عدوى SARS-CoV-2 بشكل مزدوج على إشارات STING، اعتمادًا على المرحلة المتقدمة من المرض والأنسجة المصابة. لذلك، فإن المحفزات أو المثبطات لـ STING تعد واعدة للوقاية والعلاج من SARS-CoV-2. على سبيل المثال، يتم استخدام المحفزات لـ STING في المرحلة المبكرة من العدوى لتنشيط الاستجابة المناعية في الجسم لقتل الفيروس ومنع تكاثره، بينما يتم استخدام المثبطات لـ STING في المراحل المتوسطة والمتأخرة من العدوى لتقليل الاستجابة المناعية المفرطة للجسم وتقليل التهاب الرئة. ومع ذلك، لا تزال الحاجة إلى مزيد من البحث حول التطبيق المحدد لمعدلات STING في الوقاية والعلاج من COVID-19، بما في ذلك التوقيت المحدد للإدارة ومعايير الأدوية.

على الرغم من أنه لم يتم الإبلاغ عن شبكة التفاعل بين إنزيم الالتهاب ومسارات cGAS-STING خلال عدوى COVID-19، لدينا أسباب للاعتقاد بوجود علاقة وثيقة غير قابلة للفصل وآلية تنظيمية عكسية بين الاثنين. من ناحية، فإن عدوى SARS-CoV-2 تحفز تنشيط إنزيم الالتهاب وتثير مسارات موت الخلايا المتعددة بما في ذلك البيروبتوز، والبرمجة الميتة، والنخر، مما قد يؤدي إلى إطلاق الحمض النووي مزدوج الشريطة في النواة والميتوكوندريا إلى السيتوبلازم تحت ظروف معينة. يتعرف cGAS على الحمض النووي مزدوج الشريطة دون اختلاف في التسلسل وينشط مسار STING لتوليد استجابة مناعية. يؤدي التنشيط المستمر للمسارين إلى إنتاج عدد كبير من العوامل الالتهابية ويزيد من الاستجابة الالتهابية المناعية للجسم. بالإضافة إلى ذلك، كما ذُكر في القسم 2، إنزيم AIM2، مستقبلات شبيهة بـ AIM2،

NLRP3، الكاسبازات، GSDMD، ونطاق CARD من ASC يمكن أن تشارك جميعها في تنظيم تنشيط مسار إشارة cGAS-STING. يمكن ملاحظة أن التداخل بين مسارات inflammasome و cGAS-STING لم يتم توضيحه بعد في مرضى COVID-19، وكيفية تفاعل الاثنين وكيفية تنظيم مناعة الجسم لا تزال قضايا رئيسية بحاجة إلى حل.

كما هو موضح أعلاه، فإن شبكة التداخل بين cGASSTING، والانفلامازوم، والبيوروبتوسيس مرتبطة بزيادة خطر تطوير مجموعة واسعة من الأمراض المزمنة التي تعد حاليًا السبب الرئيسي للمراضة والوفيات في جميع أنحاء العالم، وهي مسؤولة عن قدر هائل من المعاناة البشرية. في الوقت نفسه، فإن اكتشاف المنظمات مثل المحفزات، والمثبطات، واللقاحات، والعوامل الفيزيائية التي يمكن استكشافها لإثراء هذا العمل وتحويله إلى استراتيجيات ذات مغزى لتحسين صحة الإنسان (الشكل 4).

تفاقم مسارات cGAS-STING والانفلامازوم والبيوروبتوسيس تقدم ومسار مختلف الأمراض من خلال شبكة التفاعل المتبادل، وبالتالي فإن البحث عن معدلاتها له أهمية كبيرة في الوقاية من الأمراض وعلاجها والتعافي منها. أصبحت المنتجات الطبيعية حاليًا مصدرًا مهمًا لاكتشاف الأدوية لعلاج الأمراض بسبب نشاطها الدوائي الواسع، وملفها الأمني العالي، وتنوع أهدافها.
حمض 4-أوكتيل (4-OI)، وهو مشتق من المناعة يتراكم خلال تنشيط البلعميات، جذب اهتمامًا واسعًا لخصائصه المضادة للالتهابات ومضادات الأكسدة. أظهرت التجارب في المختبر وفي الجسم الحي أن 4-OI قام بتثبيط تنشيط مسار cGAS-STING-IRF3 من خلال القضاء على إنتاج mtROS وتسرب mtDNA في البلعميات الهوائية تحت الضغط التأكسدي، بينما خفف من الموت الخلوي الناتج عن inflammasome NLRP3 المستحث بواسطة LPS، مما ساهم في تحسين متلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS). الإبيغالوكاتشين غالات (EGCG) هو مونومر كاتيكين معزول من الشاي ويعتبر مكونًا رئيسيًا من بوليفينولات الشاي الأخضر. أظهرت دراسة متقدمة في المختبر أن EGCG يمكن أن يمنع تنشيط inflammasome NLRP3 من خلال تقليل تنشيط مسار cGAS-STING-IRF3، وبالتالي كان له تأثيرات وقائية كبيرة ضد الموت الخلوي المبرمج والالتهاب الناتج في الخلايا النخاعية [218].
لقد أظهرت عدة دراسات أن التركيز الفسيولوجي لغاز كبريتيد الهيدروجين يلعب دورًا حيويًا في نظام القلب والأوعية الدموية من خلال تنظيم
الوظائف البيولوجية وصيانة التوازن الداخلي في الجسم [219، 220]. وعلى العكس، فإن نقص المواد الذاتية يعتبر ضارًا وقد يؤدي إلى تطور مجموعة متنوعة من أمراض القلب والأوعية الدموية، بما في ذلك تصلب الشرايين، وارتفاع ضغط الدم، واحتشاء عضلة القلب، وفشل القلب [221-223]. وقد قلل نظام غذائي غني بالكولين من بلازما المستويات والتسبب في خلل وظيفي قلبي عبر مسارات cGAS-STING-NLRP3 inflammasome، بينما عالجت العلاج تنشيط inflammasome NLRP3 الذي يتم بوساطة تنشيط مسار cGAS-STING، مما أعاد وظيفة القلب [224]. كما تم مناقشته أعلاه، جزء من التأثيرات المرضية والدوائية لـ لقد تم إثبات ذلك في دراسات في المختبر وفي الجسم الحي بالإضافة إلى الأمراض السريرية. ومع ذلك، فإن حساب هذه الاستجابات الفسيولوجية المرضية لن يكون سهلاً في نماذج الأمراض قبل السريرية. الإيمودين هو مركب حيوي طبيعي من الطب العشبي له تأثيرات مضادة للالتهابات، ومضادة للأكسدة، ومضادة للسرطان، وحامية للكبد، وحامية للأعصاب. أظهرت الدراسات في الجسم الحي وفي المختبر أن الإيمودين حمى خلايا الكبد من إصابة الكبد الناتجة عن الأسيتامينوفين (APAP) من خلال زيادة استجابة الإجهاد المضادة للأكسدة المعتمدة على Nrf2، ومنع إنزيم NLRP3 وطرق cGAS-STING-IRF3 [225]. قلل يوروليثين A، أحد الأيضات المعوية الرئيسية للإيلاجاتانين، من اعتلال الكلى الناتج عن الفركتوز من خلال تعزيز الميتوفاج المعتمد على باركين، مما حد من الاستجابة الالتهابية التي تتوسطها محور STING-NLRP3 في تجارب الجسم الحي وفي المختبر [226]. باختصار، فإن مجموعة متنوعة من المنتجات الطبيعية لها تأثيرات متفوقة في تنظيم cGAS-STING، وإنزيمات الالتهاب، وطرق البيروبتوز، والتي يتم التحقيق فيها حالياً في المختبر وفي الجسم الحي، والتي يجب استكشافها في أبحاث المستقبل لتوفير خيارات أكثر تنوعاً لعلاج الأمراض ذات الصلة.

بسبب أهمية مسار STING في تنشيط المناعة الفطرية وحماية المضيف من مسببات الأمراض، فإن استهداف المناعة الفطرية من خلال المحفزات STING هو استراتيجية محتملة لكل من العلاجات المضادة للفيروسات والعلاجات المضادة للسرطان [227، 228]. G10، وهو محفز STING خاص بالبشر، أدى إلى تنشيط يعتمد على STING لكل من النوع IFN وإنزيم NLRP3 التقليدي في خلايا الخنازير [229]. أدى المحفز STING diABZI إلى موت الخلايا وإطلاق الحمض النووي الذاتي، الذي تم اكتشافه بواسطة cGAS وشكل 2’3′-cGAMP، مما تسبب في فرط تنشيط STING، وزيادة مسارات TBK1/IRF3 وNF-kB، وإفراز IFN-I وTNF الالتهابي وIL-6. في الوقت نفسه، أدى التعرف على الحمض النووي الذاتي dsDNA أو mtDNA بواسطة NLRP3 أو AIM2 إلى تنشيط إنزيم الالتهاب، مما أدى إلى قطع GSDMD،

مما يسمح بتكوين ثقب GSDMD وإطلاق IL-1 الناضج والبيروبتوز [144]. في إصابة الدماغ الرضحية (TBI)، أدى استخدام المحفز STING ADU-S100 إلى تفاقم التغيرات السلوكية والمرضية [194]. بالإضافة إلى ذلك، عزز ADU-S100 تنشيط الميكروغليا وزاد من الالتهاب العصبي المرتبط بالبيروبتوز من خلال زيادة قطع الكاسبيز-1 وكذلك تعبير GSDMD-N-terminal [194]. ومع ذلك،
أدى إعطاء مضاد STING C-176 إلى تقليل تنشيط الالتهاب الناتج عن TBI في الميكروغليا وتقليل البيروبتوز [194].

تم تطوير لقاح BCG مؤتلف فعال منخفض الفوعة (BCG::ESX-1Mmar) من خلال التعبير غير المتجانس عن منطقة ESX-1 في BCG، مما
أدى إلى محور cGAS-STING-IFNs من النوع الأول ونشط إنزيمات AIM2 وNLRP3، مما أدى إلى نسبة أعلى من استهداف مستضدات المتفطرات المشتركة مع نسبة خلايا التأثير الخلوية وخصوصية خلايا Th1 ضد مستضدات ESX-1 [230]. بالإضافة إلى ذلك، تم مؤخرًا إظهار أن البيروبتوز في خلايا DC عبر مسار cGAS-STING وTLRs يتم تحفيزه بواسطة لقاح جديد معطل بالكامل من بكتيريا الزائفة الزنجارية (XPa) [231]. قامت الجسيمات النانوية الاصطناعية، KALA-MENDs، بتوصيل الحمض النووي البلازميدي المشفر للمستضد (pDNA) إلى خلايا تقديم المستضد وعززت تنشيط المناعة، مما يشير إلى استخدامها كناقلات لقاح DNA [232]. أظهرت دراسات إضافية أن KALA-MENDs عززت إفراز IFN- وIL- من خلال تنشيط مسار cGAS-STING وتحفيز تنشيط إنزيمات AIM2 وNLRP3 [232]. وبالمثل، كانت جزيئات شبيهة بالفيروس الجديدة فعالة في تحفيز ارتباط cGAS، وتنشيط إشارة STING، وتوليد IFN من النوع الأول، كما أن هذه الجزيئات الشبيهة بالفيروس أيضًا حفزت تكوين إنزيم AIM2، والبيروبتوز المعتمد على GSDMD، والمناعة المضادة للسرطان [233].

تعتبر مجالات معالجة الأورام (TTFields) علاجًا لعلاج الورم الدبقي (GBM) والميزوثليوما الخبيثة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن TTFields تسبب في تدمير الغشاء النووي في الميكروغليا، مما يؤدي إلى إطلاق نوى دقيقة كبيرة من الخلايا، وتجنيد وتنشيط cGAS وAIM2 كواشف الحمض النووي السيتوبلازمي، مما يؤدي في النهاية إلى تنشيط مسار cGAS-STING وإنزيم AIM2 [234]. أدت خلايا GBM المعالجة بـ TTField إلى تعزيز المناعة الذاكرة المضادة للسرطان وأسفرت عن معدلات شفاء تتراوح بين 42 إلى 66% بطريقة تعتمد على STING وAIM2 [234]. عملت مركبات PtII، Pt1 وPt2، كمحفزات ضوئية لمسار cGAS-STING، ودمرت الميتوكوندريا والغلاف النووي تحت التعرض للضوء، مما أدى إلى تسرب سيتوبلازمي للحمض النووي mtDNA وتنشيط مسار cGAS-STING لتحفيز البيروبتوز في خلايا الورم [235]. بالإضافة إلى ذلك، قد يتم تعزيز تنشيط إنزيم NLRP3 وقطع الكاسبيز-1 في البلعميات بواسطة توليد ROS الناتج عن الإشعاع أو تلف الميتوكوندريا [236]. يمكن اكتشاف تسرب الحمض النووي النووي الناتج عن الإشعاع إلى السيتوبلازم بواسطة cGASSTING وتنشيط الاستجابة المناعية؛ ومع ذلك، فإن تقليل NLRP3 زاد من تنشيط مسار cGAS-STING في البلعميات وعزز البيروبتوز وتلف الأنسجة الناتج عن الإشعاع في الفئران [237]، مما يشير إلى أن تقليل NLRP3 يزيد من إنتاج IFN- مما يبرز أهمية التنظيم الدقيق.

تعتبر الاستجابات المناعية الفطرية استجابات سريعة لمسببات الأمراض أو إشارات الخطر التي يتم توقيتها بدقة لمكافحة مسببات الأمراض بفعالية والحد من الالتهاب المفرط وتلف الأنسجة. ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات أن فرط تنشيط المناعة الفطرية يمكن أن يكون ضارًا ويمكن أن يؤدي إلى أمراض متنوعة. إن دراسة cGAS-STING، وإنزيمات الالتهاب والبيروبتوز هي منطقة غنية ضمن علم المناعة، مع رؤى سريعة الظهور حول كيفية عملها وكيفية تنظيمها. نظرًا للتشابهات في استجابات مسارات الإشارة cGAS-STING، وإنزيمات الالتهاب والبيروبتوز للإجهاد الخلوي والآثار اللاحقة، تركز المراجعة الرئيسية في هذه الورقة على شبكة التفاعل بينها. يمكن لإنزيمات NLRP3 وAIM2 أن تعارض مسار إشارة cGAS-STING. عند تنشيط إنزيمات الالتهاب التقليدية وغير التقليدية، يمكن أن يقوم الكاسبيز-1 أيضًا بقطع cGAS، مما يشير إلى التنظيم المتبادل بين مسارات استشعار الحمض النووي داخل الخلايا. علاوة على ذلك، يمكن أيضًا تنظيم مسار cGAS-STING من خلال تعطيل مجال CARD للبروتين الرابط ASC في مجمع إنزيم الالتهاب. يعمل cGAS-STING كمحور مناعي مهم للعدوى الميكروبية، والالتهاب المزمن، وتقدم السرطان، وانحلال الأعضاء [ ]، كما ينظم أيضًا إنزيمات NLRP3 وAIM2.

يتفاعل مسار الإشارات cGAS-STING مع AIM2 والانفلامازوم NLRP3 بشكل رئيسي بسبب الجزيئات التنظيمية مثل Ox-mtDNA وmtROS وGSDMD وcGAMP وNAT10. يؤدي تعرض mtDNA لـ ROS إلى إنتاج Ox-mtDNA، مما يحفز تنشيط الانفلامازوم NLRP3 داخل السيتوبلازم، مما يؤدي إلى فسفرة STING، التي تنشط مسار الإشارات cGAS-STING. يستشعر AIM2 الحمض النووي المزدوج الشريطة البكتيري، مما يحفز تشكيل انفلامازوم AIM2، ويؤدي إلى انقسام GSDMD لتشكيل ثقوب في الغشاء، مما يحد من ارتباط الحمض النووي المزدوج الشريطة البكتيري بـ cGAS، مما يثبط تنشيط مسار cGAS-STING. يُعتبر NAT10 عاملاً تنظيمياً سلبياً لعملية النخر المبرمج للخلايا المتعادلة، ويمنع التعبير المفرط عنه النخر المبرمج عن طريق حجب مسارات ULK1-STING-NLRP3. من ناحية أخرى، تم إظهار أن ULK1 يشارك في الالتهام الذاتي لـ NLRP3، مما يشير إلى أن ULK1 له دور تنظيمي مباشر على انفلامازوم NLRP3 بالإضافة إلى تثبيط STING. هذه الجزيئات التنظيمية الرئيسية حاسمة لتنظيم شبكة التفاعل بين cGAS-STING والانفلامازومات والنخر المبرمج، وستوفر أيضًا مرجعًا قويًا لاختيار الأهداف العلاجية.

لذا، فإن تعديل هذا النظام المناعي الفطري لديه القدرة على علاج مجموعة واسعة من الأمراض، بما في ذلك العدوى، والتنكس العصبي، والالتهابات الذاتية، والاضطرابات الأيضية، والسرطان. أظهرت الدراسات الحديثة أن شبكة التفاعل بين cGAS-STING، والانفلامسومات، والبيوروبتوسيس تفاقم من الحالة القلبية،
الكبد، الرئة، الكلى، الحبل الشوكي، التهاب الجهاز العصبي، يحفز الأمراض المناعية الذاتية ويعزز تقدم الأورام الخبيثة. بينما يستمر تحسين فهمنا لـ cGAS-STING، والانفلامازوم، والبيوربتوس، فإن استهداف هذه الشبكة التفاعلية كعلاج لعدة أمراض يتقدم بسرعة. لذلك، نحن نلخص مشاركة المنتجات الطبيعية، والمواد الاصطناعية، واللقاحات المؤتلفة، والعوامل الفيزيائية في تنظيم شبكة التفاعل بين مسارات cGAS-STING، والانفلامازومات، والبيوربتوس، مما يوفر مرشحين محتملين لعلاج الأمراض ذات الصلة. باعتبارها تجسيدًا للطب الدقيق في الأمراض الالتهابية، فإن الاستمرار في تصنيف، وتحسين، وإعادة توجيه المعدلات المباشرة والمحددة سيعزز الترجمة السريرية المستقبلية.
باختصار، فإن مسار الإشارات cGAS-STING يولد تأثيرات تضخيم متسلسلة بين inflammasomes و pyroptosis، وينشط الاستجابات الالتهابية المناعية. من ناحية، يمكن أن يؤثر التداخل بين هذه المسارات الإشارية على الأعضاء الحشوية مثل القلب والكبد والرئة والكلى، ويزيد من تفاقم عملية تطور الأمراض الالتهابية؛ بالإضافة إلى ذلك، فإنه مرتبط ارتباطًا وثيقًا بتقدم العديد من الأمراض المناعية الذاتية. لذلك، فإن التحقيقات الإضافية واعدة لكشف آليات تنظيمية جديدة قد توفر فرصًا جديدة للتدخل العلاجي في المجال المثير لشبكة التداخل بين cGAS-STING و inflammasomes ومحور إشارات pyroptosis.

غير قابل للتطبيق.

ZW، JL، و JT: التصور؛ JL، JZ، و YL: تنسيق البيانات؛ ZW: الحصول على التمويل؛ JL، XM، و XL: التحقيق؛ ZW و JL: المنهجية؛ JZ و YL: الموارد؛ XM و JL: البرمجيات؛ ZW و JT: الإشراف؛ JL و JT: التصور؛ ZW و JL: الكتابة – المسودة الأصلية؛ JT و XM: الكتابة – المراجعة والتحرير.

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (82204706) ومؤسسة ما بعد الدكتوراه في الصين (2022MD723714).

غير قابل للتطبيق.

غير قابل للتطبيق.

غير قابل للتطبيق.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

مستشفى جامعة تشنغدو للطب الصيني التقليدي، تشنغدو 610075، الصين. المختبر الرئيسي لتنظيم الأمراض الأيضية في الطب التقليدي الصيني
مستشفى جامعة تشنغدو للطب الصيني التقليدي، مقاطعة سيتشوان، تشنغدو 610075، الصين. المستشفى الثاني في نينغبو، نينغبو 315099، الصين. مستشفى بوتو، جامعة شنغهاي للطب الصيني التقليدي، شنغهاي 201203، الصين. مستشفى يوييانغ للطب التقليدي الصيني والطب الغربي، جامعة الطب التقليدي الصيني في شنغهاي، شنغهاي 200080، الصين.

تاريخ الاستلام: 23 أغسطس 2023 تاريخ القبول: 28 ديسمبر 2023
نُشر على الإنترنت: 09 يناير 2024

تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

Keywords cGAS-STING, Inflammasome, Pyroptosis, Inflammation, Crosstalk network, Diseases

Stimulator of interferon genes (STING) is a cell membrane DNA sensor widely distributed in the endoplasmic reticulum (ER) of mammalian immune cells, which is a vital mediator to regulate innate immune responses. Activation of STING confers host immunity and is key to the clearance of a variety of pathogens, including viruses and bacteria [1-3]. As a DNA recognition receptor, cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) recognizes and binds double-stranded DNA (dsDNA) of both foreign and selforigin without sequence differences. cGAS enzymatically converts adenosine triphosphate (ATP) and guanosine triphosphate (GTP) to 2′-3′ cyclic GMP-AMP (cGAMP). cGAMP acts as a second messenger to potently agonize the ER membrane protein STING. STING subsequently recruits and activates TANK-binding kinase 1 (TBK1) to initiate downstream signaling, which in turn promotes the phosphorylation of interferon (IFN) regulatory factor 3 (IRF3), while STING promotes nuclear factor-kappa B (NF-кВ) phosphorylation by activating ІкВ kinase (IKK). IRF3 is then dimerized and translocated to the nucleus with NF-кB to induce type I IFN and other cytokines [4-7]. We note that major drug discovery efforts are currently underway to explore and identify agonists of the cGAS-STING pathway as vaccine adjuvants or as anticancer immunostimulants [8-11]. In immunocompetent mice with established syngeneic colon tumors, intravenous administration of a synthetic, non-nucleotidebased diABZI STING agonist exhibits potent anti-tumor activity [12]. Vaccines adjuvated with STING agonists have been shown to elicit potent immune responses against infection and cancer [13]. The natural STING agonist, cGAMP, is a potent adjuvant that improves the immunogenicity of nanoparticulate Influenza A vaccines by enhancing humoral, cellular and mucosal immune responses in mice [14, 15]. In addition, excessive STING activation has been identified as contributing to the progression of various inflammatory diseases [16-19].
Inflammasomes, such as NACHT, LRR, and PYD domains-containing protein 3 (NLRP3) and absent in melanoma 2 (AIM2), initiate the release of pro-inflammatory cytokines upon receipt of danger signals to activate the innate immune response and are essential for the clearance of pathogens or damaged cells. NLRP3 is an intracellular sensor that recognizes a wide variety of microbial motifs, endogenous danger signals and environmental irritants, triggering the formation and activation of the NLRP3 inflammasome. A two-step process of priming and activation is required for NLRP3 inflammasome [20]. In the priming stage, NF-кВ is first activated by recognition receptors such as Toll-like receptors (TLRs) that recognize pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) or danger signaling molecular patterns
(DAMPs), followed by upregulation of NLRP3 and pro-IL-1 [21]. During the activation stage, the inflammasome complex (NLRP3-ASC-caspase-1) is assembled and activated by various inducers, such as viral, bacterial, various interventions [22-24]. Once activated, cas-pase-1 subsequently functions to result in pyroptosis and cleavage of the proinflammatory cytokines pro-IL- and pro-IL-18 into their bioactive forms IL-1 and IL-18, to amplify the inflammatory response [25]. Upon the activation of AIM2 inflammasome, the effector protein cas-pase-1 is recruited to the complex and cleaves gasdermin D (GSDMD) to release the GSDMD-N fragment, inducing pyroptosis and the release of cellular contents [26]. Pyroptosis is a type of pro-inflammatory programmed cell death that is marked by cell dilation, formation of plasma membrane pores, rapid cell degradation, and the release of inflammatory cytokines [27]. Pyroptosis contributes to the protection of the body from infections such as bacteria, but excessive pyroptosis can lead to chronic inflammation and immune disorders [28-31].

The last decade has witnessed a dramatic appreciation of inflammasomes, pyroptosis and cGAS-STING as critical innate immune components that orchestrate host immune homeostasis. Although inflammasomes, pyroptosis and cGAS-STING are relatively independent innate immune signaling pathways, there is an intracellular signaling network between cGAS-STING, inflammasomes and pyroptosis. In this review, we focus on recent findings regarding the impact of this crosstalk network as a primary driver of inflammatory diseases. We briefly highlight the current state of understanding of signaling through the cGAS-STING, inflammasomes, and pyroptosis pathways, summarize the molecular mechanisms in different pathophysiological contexts, and analyze their involvement in preclinical disease models. On this basis, the key molecular events underlying the crosstalk between cGAS-STING, inflammasomes and pyroptosis were elucidated. In addition, in view of the important role of this crosstalk network in the innate immune response, we also concentrate on the emergence of pharmacological approaches that target the crosstalk network and demonstrate their potential for clinical application. A better understanding of the crosstalk network of cGASSTING, inflammasomes and pyroptosis will guide the development of therapeutic strategies to combat infectious and inflammatory diseases.

The STING-type I IFN and AIM2 inflammasome activated by DNA ligands may be crucial to elucidate (Fig. 1). In dendritic cells (DCs) and macrophages deficient in

AIM2, ASC, or caspase-1, cGAMP production, STING aggregation, and TBK1 and IRF3 phosphorylation were significantly enhanced upon cytosolic DNA exposure [32], demonstrating that the inhibition of the STING pathway by the AIM2 impacts upstream STING, thus reducing the entire STING pathway activation cascade. Similarly, AIM2 deficiency led to large aggregates of macrophages (CXCR3 ) activate the STING-TBK1-IRF3/NF-кВ pathway in response to dsDNA, resulting in pro-inflammatory cytokines maturation and secretion, including C-X-C motif chemokine 10 (CXCL10), TNF , and IFN- [33]. Mycobacterial infection of Aim2-/mice induced the production of large amounts of IFN- and depressed IFN- secretion through suppressing the interaction between STING and downstream TBK1 in macrophages and DCs [34], resulting in higher infection loads and more severe pathology. Thus, these findings suggest that the AIM2 negatively regulates the cGAS-STING-driven production of type I IFN upon stimulation with various DNA forms.

ALRs are essential for the type IFN response to endogenous host DNA and determine the course of infections, inflammatory diseases, aging, and cancer [35-37]. Studies have shown that activation of ALRs is associated with host protection following recognition of bacterial DNA, a process that can occur via direct DNA sensing or indirect sensing of pathogen-associated intracellular alterations [36]. Some members of the ALRs gene family were involved in the cGAS-STING pathway (Fig. 1), e.g., IFI204, IFI205 and the human homologue of IFI204, IFI16 [38-40]. Most known ALRs are excellent candidates for innate immune DNA receptors because they have both a pyrin domain, which mediates proteinprotein interactions, and a HIN domain, which directly bind to DNA [41]. The pyrin-only protein PYR-A and the HIN-only protein IFI202b are exceptions among the murine ALRs that potently activate STING [38]. The p202 protein encoded by the IFI202 gene, IFI204 and IFI205 have been shown to be negative regulators of

AIM2 inflammasome, which cooperated to sense cytosolic dsDNA to produce a strong type I IFN response through activation of cGAS-STING [42-44]. IFI202b expression levels likely contribute to mouse strain-specific susceptibility to Theiler’s murine encephalomyelitis virus (TMEV)-induced central nervous system (CNS) lesions [45]. In accordance with this, TMEV-infected IFN- C57BL/6 mice show an impaired virus elimination capacity and of these mice develop mild demyelination [45]. The mouse ALR IFI205 senses self-DNA derived from retrotransposons in the cytoplasm of macrophages and activates the type IFN signaling pathway via STING [42]. Notably, the p200 family proteins, represented by IFI204, which is well known as an ALR and murine ortholog of IFI16 [46, 47], were markedly induced in bone marrow-derived dendritic cells (BMDCs) after infection by mouse hepatitis coronavirus (MHV), which belongs to the same genus betacoronavirus as SARS-CoV and MERS-CoV to mimic the acute RNA virus infection [48]. Moreover, the consistent phenomena in HSV-1-infected A549 cells with IFI16 , indicating that IFI204 might facilitate cGAS-STING DNA sensing pathway that leads to IRF3 activation during the infection of HSV-1 [48]. Similarly, knockdown of IFI204 by small interfering RNA significantly inhibited IFN- release in response to bacterial infections such as Francisella novicida [44], Mycobacterium bovis [49], Staphylococcus aureus [50], demonstrating IFI204 is essential for host defense against intracellular and extracellular bacterial infection.
IFI16, a sequence-independent nuclear innate sensor ALR, was also proposed to stimulate other cellular pathways upon its binding to viral DNA [40]. Several reports assert that DNA of herpesviruses Kaposi’s sar-coma-associated herpesvirus (KSHV), Epstein-Barr virus (EBV), and herpes simplex virus 1 (HSV-1) during infection assembles an IFI16-containing oligomeric structure, leading to the production of active caspase- 1 and IL- [51, 52]. Furthermore, during HSV-1 infection, IFI16 recognizes HIV-1 proviral DNA in nuclei of infected human foreskin fibroblasts (HEFs), inducing IFN- production via the cytoplasmic STING-TBK1-IRF3 pathway [51, 53]. Besides, IFI16 was also reported to sense Listeria monocytogenes DNA in human macrophages, inducing IFN- expression in a manner dependent on cGAS-STING [54].

NLRP3 inflammasome is composed of the cytoplasmic sensor NLRP3, the adaptor ASC and the effector cas-pase-1. Elevated -TBK1 and -IRF3 in colonic tissues and enhanced IFN- levels after NLRP3 deficiency were observed in the mice subjected to whole abdomen radiation by timed exposure to X-ray at a cumulative dose [55], suggesting that NLRP3 deficiency led to an increase
in cGAS-STING-mediated IFN- production by radiation. NLRP3 deficiency increased the production of type IFN and enhanced the resistance of the host to Zika virus in vitro and in vivo [56], which unraveled a novel antagonistic mechanism by which Zika suppresses the host immune response by manipulating the interplay between inflammasome and type IFN signaling, which might guide the rational design of therapeutics in the future.

Increased IFN production in response to DNA viral infection, but not RNA viral attack, was detected in the inflammatory response of Casp- macrophages [57]. Caspase-1 interacted with cGAS during canonical and non-canonical inflammasome activation, cleaved cGAS and inhibited STING-mediated IFN production [57]. Upon inflammasome activation, caspase-1 binded directly to cGAS via its p20 domain and cleaved human cGAS at the D140/157 site, leading to a reduction in cGAMP production and cytokine expression. Also, cas-pase-4 and caspase-5 in humans and caspase-11 in mice cleaved cGAS in lipopolysaccharide (LPS)-induced activation of non-canonical inflammasome [57]. Consistently, induction of cGAS cleavage during Zika virus infection by caspase-1 inhibited phosphorylation of TBK1 and IRF3 and reduced type I IFN production, thereby evading the antiviral response [56]. In conclusion, canonical and non-canonical inflammasome activation induce the production of active caspase-1, which interacts with cGAS and in turn inhibits cGAS-STINGmediated type I IFN production (Fig. 1).

The pore forming activity of GSDMD is located in gas-dermin-N domain, while the gasdermin-C domain inhibits its pore forming activity. The release of gasdermin-N domain migrated to the cell membrane, formed pores with an inner diameter of , thereby promoting pyroptosis [58-61]. Mice deficient in GSDMD exhibited an enhanced IFN- response to Francisella novicida infection, and GSDMD negatively regulated the IFN- response in a manner independent of pyroptosis and IL-1 [62]. GSDMD activated by AIM2 inflammasome depleted intracellular through the membrane pores, which is sufficient and essential for the inhibition of the cGAS-dependent IFN- response, and thereby inhibited the cGAS-driven type IFN response to macrophage DNA and F. novicida infection [62]. In summary, the GSDMD- efflux axis targets cGAS to reduce the synthesis of cGAMP, thereby inhibiting STING signaling and reducing IFN- production (Fig. 1).

The ligand protein ASC consists of two domains, a PYD domain at the N-terminal and a CARD domain at the C-terminal. ASC recruits caspase-1 containing the CARD domain via CARD-CARD interactions to form inflammasome. ASC deficiency led to increased IFN production during DNA virus infection [57]. The CARD domain of ASC in AIM2 inflammasome was recently found to bind to the N-terminal domain of STING, thereby inhibiting the interaction of STING with TBK1 and thus negatively regulating the cGAS-STING signaling pathway [34]. NLRC3 protein containing the CARD domain blocked type IFN response and IL- secretion by competing with ASC for caspase-1 binding, disrupting ASC speck formation, and interfering with NLRP3 inflammasome assembly and activation [63]. ASC in myeloid-derived macrophages and dendritic cells inhibited the interaction of STING with downstream TBK1, thereby reducing the induction of type I IFN [34]. Interestingly, a negative correlation between ASC expression and IFN- levels was also observed in tuberculosis patients [34]. In summary, the CARD domain of ASC is essential for regulating the cGAS-STING signaling pathway (Fig. 1).

Except as described above, there are various other inflammasomes, such as NLRX1, NLRP2, NLRC3, NLRC4, NLRC5, NLRP6, NLRP12 [64-70]. Recent studies have shown the emerging roles of NLRs in the cGAS-STING signaling pathway. Most NLRs positively influence inflammatory responses, particularly the inflammasome NLRs. However, emerging studies have revealed that NLRC3 negatively affect type I IFN response by sequestering and attenuating STING activation [63, 67, 68]. NLRC3 binds viral DNA and other nucleic acids via its LRR domain, which enhances the ATPase activity of nucleic acids. Furthermore, the ATP binding by NLRC3 reduces its interaction with STING, resulting in decreased production of IFN- and IL-6 [67, 68]. NLRC3 also interacts with pro-caspase 1 and ASC through its CARD domain, thereby preventing the formation of NLRP3 and NLRC4 inflammasomes and further inhibiting cell pyroptosis [63]. Similar to NLRC3, NLRX1 interacts with STING through its nucleotide-binding domain (NBD), which results in a block of STING-TBK1 interaction thereby inhibiting TBK1 activation required for type IFN production [69]. NLRP2 directly interacts with TBK1, disrupting the TBK1-IRF3 interaction and interfering with TBK1induced IRF3 phosphorylation, thereby inhibiting IFN signaling [70]. NLRP4 negatively modulates type I IFN signal transduction through activation of TBK1, which is degraded by K48-associated ubiquitination by the

E3 ubiquitin ligase DTX4 [71]. NLRP11 limits type I IFN activation by impairing TBK1-induced IFN- promoter activity, suggesting its potential involvement in the cGAS-STING signaling pathway [72]. NLRP14 physically interacted with STING components and facilitated the ubiquitination and degradation of TBK1, which mediated the interactions and inhibitory function [73]. NLRP6 binds viral RNA via RNA helicase Dhx15 and interacts with MAVS (mitochondrial antiviral signaling) to trigger the production of type IFN [74]. NLRC4 promotes the cGAS-STING pathway by enhancing TBK1 interaction with the E3 ubiquitin ligase CBL to promote K63-linked polyubiquitination and subsequent activation of TBK1 [75, 76]. Furthermore, NLRC5 has the ability to stimulate the production of type IFN and pro-inflammatory cytokines by fibroblasts and primary human cells when infected with cytomegalovirus or Sendai virus [77, 78].

The cGAS-STING-NLRP3 signaling pathway is a specific mechanism that facilitates the activation of the NLRP3 inflammasome and the secretion of IL- in response to DNA virus infection and cytoplasmic DNA stimulation (Fig. 2). In human myeloid cells, the cGAS-STING pathway was necessary for cytoplasmic DNA-induced NLRP3 activation during viral and bacterial infection [79]; similarly, studies have shown that the STING-NLRP3 axis is critical for the pro-inflammatory response induced by Chlamydia trachomatis and aged macrophages [80, 81]. Furthermore, STING-IRF3 could trigger LPS-induced cardiac dysfunction, inflammation and pyroptosis by activating NLRP3 in mice [82]. In addition, in septic mouse neutrophils, downregulation of NAT10 inhibited ULK1 expression, activated the cGAS-STING pathway, induced NLRP3 inflammasome activation, and thus promoted neutrophil pyroptosis [83]. Moreover, the cGAS-STING pathway was activated in myelodysplastic syndromes (MDS) to induce IFN-stimulated genes (ISG), which triggered the activation of NLRP3 inflammasome [84].

During viral and bacterial infections in human myeloid cells, NLRP3 was tightly linked to the upstream cGASSTING pathway, inducing NLRP3 inflammasome activation and coordinating lysosomal cell death (LCD) in a efflux-dependent manner [79]. Cytoplasmic DNA was recognized by cGAS, and then STING was activated and transported to the lysosome, triggering membrane permeation and causing LCD [85]. Lysosomal lysed cathepsin leaked into the cytoplasm, altered plasma membrane permeability, activated efflux upstream of NLRP3

and ultimately induced pyroptosis [79], which triggered a series of inflammatory cascade responses. In summary, DNA-triggered the NLRP3 inflammasome activation is dependent on the cGAS-STING-LCD axis, and targeting this pathway would ameliorate the inflammatory response associated with cytoplasmic DNA receptor evocation.
Available studies indicate that STING interaction with NLRP3 in response to cytoplasmic DNA stimulation promotes NLRP3 inflammasome activation in several ways. Firstly, STING recruited NLRP3 to promote its localization in the ER, thereby promoting the formation of NLRP3 inflammasome [86]. Secondly, TM5 (151-160aa) of STING interacted with NACHT and LRR domain in NLRP3 to attenuate NLRP3 polyubiquitination associated with K48 and K63, i.e., STING deubiquitinated

NLRP3 to activate the NLRP3 inflammasome [86]. Thirdly, in an epistatic regulatory mechanism study, H3K4-specific histone methyltransferase WDR5 and H3K79 methyltransferase DOT1L inhibitors were found to significantly reduce STING overexpression-mediated NLRP3 upregulation, suggesting that STING promoted NLRP3 promoter region histone methylation via WDR5/ DOT1L, thereby recruiting IRF3 to increase NLRP3 transcription [87].

AIM2 is the only member of the PYHIN gene family that is truly homologous between mouse and human [88], and gain-of-function and loss-of-function studies at the cellular level have shown that human AIM2 functions in the same way as its mouse counterpart,

AIM2 [89]. Thus, studies of AIM2 in the mouse system can be extrapolated to humans. AIM2, an innate sensor of the canarypox virus vector ALVAC, triggers inflammasome activation in human and mouse anti-gen-presenting cells. CRISPR/Cas9 analysis reveals that ALVAC activated the AIM2 inflammasome through stimulation of the cGAS-IFI16-STING-type I IFN pathway [90]. Cytoplasmic DNA in ataxia-telangiectasia mutated (ATM)-deficient microglia was sensed by cGAS, thereby activating the cGAS-STING pathway to initiate an antiviral response, and triggering the activation of the AIM2 inflammasome [91]. Activation of the STING pathway during Francisella infection promoted type I IFN production and IRF1 expression, which induced guanylate-binding proteins (GBPs) targeting bacterial vesicles to disrupt their membranes, allowing bacterial products to be sensed by AIM2 and subsequently activating the AIM2 inflammasome [92]. The STING-dependent type I IFN signaling pathway was essential for the GBP-mediated release of Brucella DNA into the cytosol and the subsequent activation of AIM2 [93]. Collectively, these data indicated that the STING signaling axis-induced type IFN is necessary for therelease of cytoplasmic DNA for activation of the AIM2 inflammasome (Fig. 2).

Chlamydia trachomatis replication or metabolism induced type I interferon responses are critical mediators of inflammasome activation and pyroptosis in macrophages [80]. cGAS-STING-dependent TNF and IFN signaling triggers necroptosis in response to cytosolic DNA [94]. In addition, mtDNA activates the STING pathway that subsequently enhances RIPK3/ MLKL expression to trigger necroptosis [95]. Emerging evidence suggests that ER stress associated with STING activation can trigger apoptosis [96-98]. Therefore, cGAS-STING signaling can trigger multiple cell death pathways including pyroptosis, apoptosis, and necrosis and a better understanding of the regulatory mechanisms across different cell types, states and health, and environmental and/or stimulus-dependent mechanisms will require further investigation. In addition, the key role played by the cGAS-STING signaling pathway in multiple cell death pathways, such as the newly described PANopoptosis, ferroptosis, and cuproptosis, remains to be thoroughly investigated and explored. Further mechanistic elucidation will help answer questions such as what determines the bidirectional regulation of cGAS-STING and cell death pathways. More importantly, the answers to these critical questions will provide new ways and methods to target the cGAS-STING-mediated cell death pathways for the treatment of infectious diseases, inflammatory diseases, and so on.

Mitochondria regulates the innate immune system through the release of numerous pro-inflammatory signals, such as mitochondrial reactive oxygen species (mtROS), mitochondrial DNA (mtDNA) and , which is vital for the inflammasomes and cGAS-STING pathways activation (Fig. 2) [99-102]. Exposure of newly synthesized mtDNA to ROS induces oxidized mtDNA (Ox-mtDNA) production [103]. Ox-mtDNA was either repaired by 8-oxoguanine-DNA glycosylase (OGG1) or cleaved into fragments by flap-structurespecific endonuclease 1 (FEN1). These fragments leaked from the mitochondria via 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6tetrahydropyridine (mPTP)- and voltage-dependent anion channel (VDAC)-dependent channels and triggered NLRP3 inflammasome activation in the cytoplasm [104]. Ox-mtDNA fragments also led to phosphorylation of the STING Ser365 site, which was required for cGAS-STING-IRF3 binding and activation of the type IFN response [104]. Brown adipose tissue (BAT) acts as an important thermogenic organ, regulating energy metabolism through thermogenesis [105-107]. BAT inflammation is associated with mitochondrial dysfunction and impaired thermogenesis [108-110]. mtROS was scavenged by mitochondrial thioredoxin-2 (TRX2), and TRX2 deficiency induced massive mtROS production, mitochondrial integrity disruption, and cytosolic release of mtDNA, which activated aberrant innate immune responses in BAT, including the cGAS-STING and the NLRP3 inflammasome pathways [111].

XBP1 deficiency induced the excessive production of ROS to promote hepatocyte pyroptosis through the activation of NLRP3 and pyroptosis signaling, which made it easier to release the mtDNA into the extracellular space. mtDNA released from thioacetamide (TAA)-stressed hepatocytes was engulfed by macrophages, further inducing cGAS- and dose-dependent macrophage STING activation [112]. The mitochondrial oxidative stress response also plays a role in bacterial infection. Mitochondrial oxidative stress-induced release of mtDNA in bacterial infection mediated the secretion of type I IFNs via the cGAS-STING pathway and triggered activation of the NLRP3 inflammasome [113, 114]. Mycobacterium abscessus facilitated the production of Ox-mtDNA to enhance cGAS-STING-dependent IFN production and NLRP3 inflammasome-mediated IL-1 [115]. Intracellular mtROS/mtDNA induced bacterial replication after phagosome rupture and escaped into the cytoplasm, disrupting membrane integrity in a type IFN-dependent manner [115]. Type I IFN, on the other hand, inhibited NLRP3 inflammasome activation via the STAT pathway
[116, 117]. In addition, type I IFN-mediated generation of nitric oxide synthase (iNOS) and NO inhibited NLRP3 protein oligomerization, thereby preventing the assembly of NLRP3 inflammasome [118].

GSDMD not only promotes the effective release of IL-1 and IL-18, but also acts as an end-effector of pyroptosis. Another function of GSDMD is to promote the non-selective release of in cells. During infection with . novicida, cGAS-induced IFNs were inhibited by GSDMD-mediated efflux, and GSDMD deficiency was found to prevent cytoplasmic efflux and enhance dsDNA binding to cGAS, thereby activating the cGAS-STING pathway and promoting IFNs secretion [62], suggesting that GSDMD inhibits cGAS mediated IFNs secretion. Furthermore, given the central role of the cGAS pathway in the innate immune response, it is expected that various modulations and modifications to cGAS control its activity. Further studies indicates that members of the tripartite motif 56 (TRIM56) induced the Lys335 monoubiquitination of cGAS, which resulted in a marked increase of its dimerization, DNAbinding activity, and cGAMP production of cGAS [119, 120]. In summary, bacterial dsDNA triggers the activation of inflammasomes, leads to GSDMD cleavage, and causes efflux, thereby limiting the binding of bacterial dsDNA to cGAS, inhibiting the activation of the cGAS-STING pathway, and disrupting the inflammatory response of IFNs (Fig. 2).

As the first identified RNA acetyltransferase, N-acetyltransferase 10 (NAT10) catalyzes the N4 acetylation of cytidine (ac4C) to regulate mRNA stability and translation, and is implicated in a variety of cellular processes including cell division, cellular senescence, autophagy and DNA damage [121, 122]. Neutrophils play an important role in the progression of sepsis as major effector cells against infection and as important regulators of innate immunity [123]. During sepsis, large amounts of bacterial products (e.g., CpG DNA) as well as the host’s own DNA (including nuclear and mitochondrial DNA) were released into the cytoplasm, leading to the activation of cGAS-STING and pyroptosis [124]. NAT10 was a negative regulator of neutrophil pyroptosis, and its reduced expression led to increased neutrophil pyroptosis and secretion of large amounts of the pro-inflammatory cytokines IL-1 and IL-18 [83]. In neutrophil, down-regulation of NAT10 led to a decrease in UNC-52-like kinase 1 (ULK1) expression level. In contrast, as a regulator of STING phosphorylation, deletion of ULK1 activated the STING-IRF3 pathway, which subsequently
triggered NLRP3 inflammasome activation and neutrophil pyroptosis [125]. On the other hand, ULK1 has been shown to be involved in NLRP3 autophagy, suggesting that ULK1 has a direct regulatory effect on the NLRP3 inflammasome in addition to inhibiting STING (Fig. 2) [126].

cGAMP, as a second messenger, directly binds to STING and its upstream key synthetase cGAS, which further activated TBK1, induced IRF3 and NF-кB into the nucleus, produced type IFN and cytokines, and defended against various viral infections. Studies showed that cGAMP increased the activation of AIM2 and NLRP3 inflammasomes via cGAS-STING (Fig. 2). cGAMP induced the activation of AIM2 and NLRP3 inflammasomes in addition to type I IFN by increasing mRNAs encoding key components of the inflammasome (AIM2, NLRP3, Casp1, IL-1 , and ASC), thereby inhibiting DNA virus infection [127].

A well-coordinated immune response is essential for recognizing and eliminating threats from foreign substances and tissue damage. However, uncontrolled inflammation can contribute to the pathology of chronic inflammatory and degenerative diseases, as well as cancer. Chronic inflammation plays a prominent role in driving carcinogenesis, as various chronic inflammatory conditions are associated with an increased risk of cancer. This leads to the accumulation of DNA damage and production of local inflammatory cytokines. Eventually, the phenotype shifts towards an altered homeostasis and becomes irreversibly responsive to continued inflammation, resulting in malignancy [128-130]. Recent studies support the idea that inflammation influences the fate of various components within the complex tumor microenvironment, ultimately creating a tumor-promoting environment through reciprocal communication that promotes carcinogenesis either through direct mutagenesis or by activating cytokine responses that effectively shape the host response [128, 131].

There is increasing evidence that the risk of developing chronic inflammation can be traced back to early development, and its consequences are now known to extend throughout the life span, affecting health and mortality risk in adulthood [132-134]. Therefore, the “inflammatory fire” sparked by the host response requires tight management to avoid spreading and causing irreversible damage. Recent evidence has demonstrated that activation of the cGAS-STING axis in response to cytosolic DNA stimulation engaged
in inflammasome activation [79, 86] and GSDMDtriggered pyroptosis [135], which is characterized by the dysfunctions of the immune system and the aberrant secretion of inflammatory cytokine. As a result, the interplay among the cGAS-STING axis, inflammasome, and pyroptosis builds a wide range of important monitoring systems in response to tissue damage and pathogen invasion. Abnormalities of this crosstalk cause a variety of human diseases, including infectious diseases, autoimmune diseases, tumors, organ fibrosis and neurodegenerative diseases [11, 136-138]. In view of the critical role of cGAS-STING, inflammasomes and pyroptosis in immune and inflammatory responses, we then focused on the related diseases induced by this crosstalk network with the aim of providing clues for their prevention and treatment (Fig. 3).

cGAS-STING pathway can activate the NLRP3 inflammasome, thereby exacerbating inflammation in the myocardium and promoting cardiac dysfunction. In cardiomyocytes, STING binds to IRF3 and phosphorylates IRF3, which subsequently translocated into nucleus and increased the expression of NLRP3 [82]. In contrast, STING knockdown inhibited IRF3 phosphorylation and perinuclear translocation, thereby suppressing NLRP3mediated cardiomyocyte inflammation and pyroptosis, improving cardiac function and increasing survival [82]. Also, in diabetic cardiomyopathy (DCM), the production of free fatty acids induced oxidative mitochondrial damage, activated the cGAS-STING and NLRP3 inflammasome signaling pathways, and ultimately promoted myocardial hypertrophy in DCM by promoting cardiomyocyte pyroptosis [139]. Activation of STING

enhanced GSDMD-mediated cardiac hypertrophy [140]. Consistently, knock down cardiomyocyte STING in DCM attenuated cardiac pyroptosis and inflammatory responses, suppressed DCM-induced cardiac hypertrophy, and restored cardiac function [139]. Therefore, targeting cardiomyocyte STING, NLRP3 inflammasome, and pyroptosis may be a potential therapeutic strategy to prevent cardiomyopathy.

Macrophages are the most abundant immune cells in lung tissue, and inhibition of inflammatory signaling pathways in macrophages is essential to maintain tissue homeostasis. Macrophages are more likely to exhibit cellular senescence, impaired mitochondria, and abnormal activation of the cGAS-STING and NLRP3 inflammasome pathways, which predispose mice to severe viral pneumonia during infection [141]. Cytoplasmic mtDNA and STING transcription factor (c-Myc) synergistically activated the cGAS-STING pathway in LPS-induced ALI, which subsequently exacerbated ALI inflammation by triggering NLRP3 inflammasome activation and pyroptosis [142, 143]. The STING agonist diamidobenzimidazole (diABZI), was internalized into the cytoplasm and induced STING activation and dimerization, and upregulated apoptosis, pyroptosis and necroptosis (PANoptosis), which enhanced lung inflammation with severe acute respiratory distress syndrome [144]. Radiation therapyinduced self-dsDNA was leaked into the bronchoalveolar space and subsequently triggered cGAS-STING activation and downstream NLRP3-mediated pyroptosis, providing a mechanistic basis for pyroptosis that connects cGAS-STING activation to the exacerbation of initial radiation-induced lung injury [145]. In summary, the cytoplasmic cGAS-STING-NLRP3 pathways contribute to LPS-induced ALI. Based on these findings, targeting the cytoplasmic cGAS-STING-NLRP3 pathways may be a therapeutic target for ALI.

The liver is a prime target for toxins and acute injury as the primary organ for removal of various drugs and foreign pathogens. Macrophage infiltration is a characteristic of liver inflammation, and macrophage activation of the cGAS-STING and inflammasome pathways are important drivers of numerous liver diseases [146-149]. Increased STING activation was observed in human and mouse liver with nonalcoholic steatohepatitis [150, 151]. Macrophage STING activation in acute ischemic liver injury facilitated by mtDNA release from injured hepatocytes [81]. Ox-mtDNA produced under oxidative stress of liver injury triggered the activation of NLRP3 inflammasome [152]. Experimental induced liver fibrosis
and enhanced cGAS-STING activation in liver tissue, while STING deficiency attenuated liver inflammation and fibrosis [153-155]. RNA sequencing of livers from mice with -induced liver fibrosis revealed that the STING and NLRP3 inflammasome signaling pathways were activated during liver fibrosis, and the activation of these two pathways were also verified in human and mouse cirrhotic tissues [87]. STING and NLRP3 signaling pathways are activated in cirrhosis, and both knockdown of STING and STING inhibitor C-176 significantly inhibited NLRP3 expression and hepatocyte pyroptosis [87], suggesting that STING can induce hepatocyte pyroptosis through activation of the NLRP3 inflammasome.

GSDMD-mediated hepatocyte pyroptosis contributes to accelerated pathogenesis in acute and chronic liver disease [156-159]. In mice, activation of the NLRP3 inflammasome resulted in hepatocyte pyroptosis, hepatic inflammation, and liver fibrosis [158]. In addition, cas-pase-1 and GSDMD-mediated hepatocyte pyroptosis induced stellate cell activation through the release of inflammatory factors, thereby promoting the development of liver fibrosis [159]. STING induced hepatic ischemia-reperfusion injury (IRI) by promoting calciumdependent caspase-1-GSDMD in macrophages, and STING expression enhanced with increased hepatic IRI, while knockdown of STING attenuated hepatic IRI [160]. ROS also plays a key role in hepatocyte pyroptosis [161, 162]. Upregulation of ROS levels promoted GSDMD cleavage, activated the GSDMD-N terminus, and induced cell membrane pore formation, thereby promoting pyroptosis [163, 164]. In addition, in TAA-induced liver injury, hepatocyte ROS-NLRP3-caspase-1-GSDMD activity was increased and hepatocyte pyroptosis was detected [112]. XBP1 deficiency in hepatocytes promoted ROS production to activate NLRP3-Caspase-1-GSDMD signaling, which promoted extracellular release of mtDNA and macrophage phagocytosis of mtDNA, further activated the cGAS-STING pathway, thereby promoting hepatocyte pyroptosis [112].

Acute kidney injury (AKI) is marked by a progression of rapid loss of kidney function that can lead to chronic kidney disease (CKD) and end-stage renal disease (ESRD) [165, 166]. Recent studies suggest that mtDNAassociated chronic inflammatory responses are associated with the pathogenesis of AKI and the development of CKD [167-169]. Mitochondrial damage was induced in AKI, leading to leakage of mtDNA into the cytoplasm and activation of the cGAS-STING pathway, which phosphorylated TBK1 and IRF3, promoted the secretion of inflammatory factors and exacerbated the inflammatory response [168]. Activation of the cGAS-STING pathway
was observed in multiple AKI mouse models and AKI patients [168, 170, 171]. STING knockout mice exhibited reduced renal function, tubular damage and inflammation after cisplatin treatment [168]. In addition, STING mediated secondary renal inflammation and tubular injury. STING and NLRP3 inflammasome pathways played important roles in unilateral ureteral obstruction, adenine-induced tubulointerstitial nephritis and chronic renal failure [172-174]. Expression of G2-type apolipoprotein APOL1 (G2 APOL1) in mouse kidney cells led to activation of cGAS-STING and NLRP3 inflammasome, and APOL1 expression correlated with caspase-1 and GSDMD levels [175]. In a RIAKI mouse model, although AIM2 deficiency inhibited renal macrophage pyroptosis, it surprisingly accentuated abnormal inflammation as evidenced by massive macrophage aggregation (CXCR3 ) and activation of the cGAS-STING-TBK1-IRF3 pathway, which subsequently promoted maturation and secretion of pro-inflammatory cytokines. Meanwhile, dsDNA-induced AIM2-deficient cells escaped rapid pyroptotic elimination and participated in STING-TBK1-IRF3/NF-кВ pathways, leading to an exacerbation of the inflammatory phenotypes [33]. These finding suggested that the rapid macrophage cell death induced by dsDNA may serve as an anti-inflammatory program and may determine the healing process of RIAKI.

Microglia are important mediators of neuroinflammation and immune response after CNS injury [176, 177]. NLRP3 inflammasome-mediated microglia pyroptosis is associated with the pathogenesis of subarachnoid hemorrhage [178], cerebral ischemia/reperfusion injury [179, 180], and spinal cord injury [181]. Recent studies have shown that cytoplasmic DNA induces NLRP3 and AIM2 inflammasomes activation and GSDMD-triggered microglia pyroptosis through activation of the cGAS-STING pathway [79, 86, 91, 135]. Importantly, elevation in cGAS and STING occurred mainly in microglia in damaged cortex after cerebral venous sinus thrombosis (CVST), and the same cellular localization was reported in cerebral ischemia/reperfusion (I/R) [135] and subarachnoid hemorrhage models [5]. Accumulation of dsDNA on cell membranes triggered activation of cGAS-STING pathway in intracranial venous and CVST, which subsequently induced NLRP3 inflammasome activation, microglia pyroptosis, and increased the neuroinflammatory burden [182]. Hyperphosphorylated Tau in the brain is an important pathological feature of patients with neurodegenerative diseases. Tau induced NLRP3 inflammasome activation, which drived tau hyperphosphorylation and exacerbated neuroinflammation, and the biological
process may be attributed to the immune stimulating activity, especially the cGAS-STING pathway [183-185]. The STING agonist CMA significant increased STING expression in microglia after subarachnoid hemorrhage (SAH) and exacerbation of neuronal damage [5]. In addition, in the brains of patients with different neurodegenerative diseases, serum/glucocorticoid-related kinase 1 (SGK1) was elevated. SGK1 expression is widely detected in the brain, and it is increased in pathologic conditions such as Rett syndrome [186], Alzheimer disease (AD) [187, 188], multiple sclerosis [189], amyotrophic lateral sclerosis [190], and neuropathic pain [191], collectively suggesting that SGK1 plays pathogenic roles in neurodegenerative disorders. Inhibition of glial SGK1 corrects the pro-inflammatory characteristics of glia by reducing intracellular NF-кB, NLRP3 inflammasome and cGASSTING mediated inflammatory pathways [192]. Activation of the cGAS-STING pathway in AD mice triggered the formation of NLRP3 inflammasome, exacerbated cellular senescence and inflammatory responses, and nicotinamide riboside (NR) treatment exerted beneficial effects through the cGAS-STING pathway [193]. Furthermore, inflammatory response-induced microglia activation was associated with neurological deficits after traumatic brain injury (TBI). In contrast, microglia cGAS-STING activation promoted neuroinflammatory responses after TBI, in part through activation of the NLRP3 inflammasome [194]. In conclusion, the cGAS-STING-NLRP3 signaling pathway may serve as a potential therapeutic target for neuroinflammation-induced neurological dysfunction.

NLRP3 inflammasome, pyroptosis and cGAS-STING contribute to neuroinflammation in myelodysplastic syndromes (MDSs) and spinal cord injury (SCI) [84, 195]. cGAS-STING induced activation of interferon-stimulating factor (ISG), triggered NLRP3 inflammasome activation, and exacerbated bone marrow injury [84]. Further studies revealed that caspase-1 degraded the erythroid transcription factor GATA-binding protein 1, triggering anemia and myeloid bias to exacerbate the injury [84]. MDSs hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) overexpressed inflammasome proteins and exhibited NLRP3 inflammasomes activation that directly produced IL-1 and IL-18, and drived pyroptosis [196]. As with somatic mutations, excess alarm protein S100A9 in bone marrow plasma activated NADPH oxidase (NOX), increased ROS levels, exposed cytoplasmic DNA to the cGAS-STING-NLRP3 axis, and promoted pyroptosis [196]. In addition, cGAS-STING and NLRP3 inflammasome activation in spinal microglia after sciatic nerve injury have been shown to exacerbate neuroinflammation in mice [195]. cGAS, STING, and NLRP3 were correlated
with the extent of intervertebral disc degeneration by magnetic resonance imaging (MRI) and histopathology. Oxidative stress initiated the STING-dependent activation of the cGAS-STING axis and NLRP3-inflammas-ome-mediated pyroptosis in human nucleus pulposus cells [197]. Taken together, these data implicate the essential role of the cGAS-STING-NLRP3 axis and pyroptosis in the development of IVD degeneration and offer a potential treatment approach for the management of discogenic low back pain.

Activating the cGAS-STING pathway confers host immunity and contributes to eliminating multiple pathogens, including viruses and bacteria. Meanwhile, excessive STING and inflammasome activation have been identified as contributing to the progression of autoinflammatory diseases such as systemic lupus erythematosus (SLE), rheumatoid arthritis (RA), acute myeloid leukemia (AML), sepsis and dry syndrome [83, 195, 198-202]. During SLE, STING and NLRP3 inflammasome activation mediated caspase-1 activation and promoted maturation and secretion of inflammatory factors [198, 199]. In addition, monocytes in SLE patients showed considerable activation of cas-pase-1 [200]. In acute myeloid leukemia (AML) with TP53 mutations, the therapeutic agent DNA methyltransferase inhibitors (DNMTis) expressed endogenous retroviruses (ERVs), IFNs and activated NLRP3 inflammasome in a STING-dependent manner [201]. DNA polymerase (Pol ) was significantly decreased in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of RA patients and mice with collagen-induced arthritis (CIA). Further studies revealed that Pol knockdown led to DNA damage accumulation and cell membrane dsDNA leakage, which activated the cGAS-STING-IRF3-NF-кВ signaling pathways and promoted pyroptosis [202].

Growing evidence indicates that the innate immune response is critical to tumorigenesis and antitumor therapy [130, 203]. In mouse models and clinical patients, activation of the cGAS-STING pathway has been proven to reduce tumor growth and improve immunogenicity [204]. STING enhanced IL-18 and IL-1 generation by macrophages by activation of NLRP3, and IL-18 and IL- induced and expression in macrophages and NK cells, respectively, which facilitated macrophage STING signaling to improve anti-tumor function, thus suppressing colorectal cancer liver metastasis [205]. Macrophage STING signaling pathway promoted NLRP3 inflammasome activation, enhanced anti-tumor function of NK cells, and inhibited liver
metastasis from colorectal cancer [206]. However, cGASSTING activation-mediated chronic inflammation can also promote tumor metastasis through the induction of immunosuppressive TME [9]. Cancer cell-produced cGAMP enhanced tumor growth and chemoresistance through activation of astrocyte STING and production of inflammatory cytokines [207].

Severe COVID-19 is characterized by an excessive inflammatory response, including large cytokine expression, that involves a wide range of immune cells, including macrophages and neutrophils, that sense pathogens and damaged autologous structures and subsequently induce the production of inflammatory mediators. Infection and replication of SARS-CoV-2 in immune cells within the lung is a key driver of the disease. Inflammasome activation and the accompanying inflammatory response are necessary for lung inflammation in COVID19 [208-211]. The cGAS-STING pathway, which controls immunity to cytosolic DNA, is a critical driver of aberrant type I IFN responses in COVID-19 [212, 213]. SARS-CoV-2 infection has a dual-edged sword effect on STING signaling, relying on the progressive stage of the disease and the infected tissue. Therefore, STING agonists or inhibitors are promising for the prevention and treatment of SARS-CoV-2. For example, STING agonists are used in the early stage of infection to activate the immune response in the body to kill the virus and inhibit its replication, and STING inhibitors are used in the middle and late stages of infection to reduce the excessive immune response of the body and reduce lung inflammation [212-216]. However, the specific application of STING modulators in the prevention and treatment of COVID-19 still needs further research, including the specific timing of administration and medication standards.

Although the interaction network between the inflammasome and cGAS-STING pathways has not been reported during COVID-19 infection, we have reasons to believe that there is an inseparable close relationship and feedback regulatory mechanism between the two. On the one hand, SARS-CoV-2 infection induces inflammasome activation and triggers multiple cell death pathways including pyroptosis, apoptosis, and necrosis, which may lead to the release of dsDNA in the nucleus and mitochondria into the cytoplasm under certain conditions. cGAS recognizes dsDNA without sequence difference and activates STING pathway to generate immune response. The continuous activation of the two pathways induces the production of a large number of inflammatory factors and aggravates the immune inflammatory response of the body. In addition, as mentioned in section 2, AIM2 inflammasome, AIM2-like receptors,

NLRP3, caspases, GSDMD, and CARD domain of ASC can all participate in regulating the activition of cGASSTING signaling pathway. It can be seen that the crosstalk of inflammasome and cGAS-STING pathways has not yet been clarified in COVID-19 patients, and how the two interact and how to regulate the body’s immunity are still key issues to be solved.

As described above the crosstalk network of cGASSTING, inflammasome and pyroptosis is correlated with an elevated risk of the development of a broad range of chronic diseases that are currently the leading cause of morbidity and mortality throughout the world and are responsible for an enormous amount of human suffering. At the same time, the discovery of regulators such as agonists, inhibitors, vaccines and physical factors that could be explored to enrich this work and convert this work into meaningful strategies for improving human health (Fig. 4).

The cGAS-STING, inflammasome and pyroptosis pathways exacerbate the progression and course of various diseases through the crosstalk network, and therefore the search for their modulators is of great importance for disease prevention, treatment and recovery. Natural products are currently becoming an important source of drug discovery for disease treatment due to their broad pharmacological activity, high safety profile and diversity of targets.
4-Octylic acid (4-OI), an immunomodulatory derivative accumulated during macrophage activation, has attracted widespread attention for its anti-inflammatory and antioxidant properties. In vitro and in vivo experiments have shown that 4-OI inhibited the activation of the cGAS-STING-IRF3 pathway by eliminating mtROS production and mtDNA leakage in alveolar macrophages under oxidative stress, while alleviated LPS-induced NLRP3 inflammasome-mediated pyroptosis, which in turn ameliorated acute respiratory distress syndrome (ARDS) [217]. Epigallocatechin gallate (EGCG) is a catechin monomer isolated from tea and is a major component of green tea polyphenols. Advanced in vitro study that EGCG could block the activation of NLRP3 inflammasome through down-regulation of cGAS-STINGIRF3 pathway, and thus had significant protective effects against -induced apoptosis and inflammation in myeloid cells [218].
Several studies have shown that the physiologic concentration of hydrogen sulfide has a vital role in the cardiovascular system through the regulation of
biological functions and the maintenance of homeostasis in the body [219, 220]. Conversely, the lack of endogenous is harmful and may lead to the development of various cardiovascular diseases, including atherosclerosis, hypertension, myocardial infarction and heart failure [221-223]. A high-choline diet reduced plasma levels and induced cardiac dysfunction via the cGAS-STING-NLRP3 inflammasome pathways, while treatment inhibited NLRP3 inflammasome activation mediated by cGAS-STING pathway activation, thereby restoring cardiac function [224]. As above discussed, the part of pathophysiological and pharmacological effects of have been demonstrated in vitro and in vivo studies as well as in clinical disease. However, accounting for these pathophysiological responses will not be easy in preclinical models of disease. Emodin is a natural bioactive compound from herbal medicine with antiinflammatory, antioxidant, anticancer, hepatoprotective and neuroprotective effects. In vivo and in vitro studies showed that emodin protected hepatocytes from acetaminophen (APAP)-induced liver injury by upregulating Nrf2-mediated antioxidant stress response, inhibiting NLRP3 inflammasome and cGAS-STING-IRF3 pathways [225]. Urolithin A, one of the principal intestinal metabolites of ellagitannins, attenuated fructose-induced hyperuricemic nephropathy through the promotion of Parkin-dependent mitophagy, thus limiting the inflammatory response mediated by the STING-NLRP3 axis in vivo and in vitro experiments [226]. In summary, a variety of natural products have superior effects in regulating cGAS-STING, inflammasome and pyroptosis pathways, currently being investigated in vitro and in vivo, which should be explored in future research work to provide more diversified options for the treatment of related diseases.

Because of the significance of the STING pathway in the activation of innate immunity and the protection of the host against pathogens, targeting the innate immunity through STING agonists is a potential strategy for both antiviral and antitumor therapies [227, 228]. G10, a human-specific STING agonist, induced STINGdependent activation of both type IFN and the canonical NLRP3 inflammasome in porcine cells [229]. The STING agonist diABZI resulted in cell death and selfDNA release, which was detected by cGAS and formed 2’3′-cGAMP, causing STING hyperactivation, amplifying the TBK1/IRF3 and NF-kB pathways, and subsequent secretion of IFN-I and inflammatory TNF and IL-6. Meanwhile, the recognition of self-dsDNA or mtDNA by NLRP3 or AIM2 triggered the activation of the inflammasome, thereby leading to the cleavage of the GSDMD,

allowing the formation of the GSDMD pore and the release of mature IL-1 and pyroptosis [144]. In traumatic brain injury (TBI), the use of the STING agonist ADU-S100 exacerbated the behavioral and pathological changes [194]. In addition, ADU-S100 promoted microglia activation and exacerbated pyroptosis-associated neuroinflammation by increasing caspase-1 cleavage as well as GSDMD-N-terminal expression [194]. However,
administration of the STING antagonist C-176 attenuated TBI-induced inflammatory activation of microglia and reduced pyroptosis [194].

A low virulence, ESX-1 effective recombinant BCG vaccine (BCG::ESX-1Mmar) was developed by heterologous expression of the ESX-1 region in BCG, which
induced the cGAS-STING-type I IFNs axis and activated the AIM2 and NLRP3 inflammasomes, resulting in a higher proportion of targeting mycobacterial antigens shared with cell effector ratio and specificity of Th1 cells against ESX-1 antigens [230]. In addition, pyroptosis of DCs via the cGAS-STING pathway and TLRs has recently been shown to be induced by a novel whole-cell inactivated Pseudomonas aeruginosa vaccine (XPa) [231]. Artificial nanoparticles, KALA-MENDs, delivered antigenencoding plasmid DNA (pDNA) to antigen-presenting cells and promoted immune activation, suggesting their use as DNA vaccine vectors [232]. Further studies demonstrated that KALA-MENDs promoted IFN- and IL- secretion through activation of the cGAS-STING pathway and induction of AIM2 and NLRP3 inflammasomes activation [232]. Similarly, a novel virus-like particle was effective at inducing cGAS binding, activating STING signaling, and generating type I IFN, and this virus-like particle also induced AIM2 inflammasome formation, GSDMD-mediated pyroptosis, and anti-tumor immunity [233].

The tumor treating fields (TTFields) is a therapy for the treatment of glioblastoma (GBM) and malignant mesothelioma. In addition, TTFields was found to induce nuclear membrane disruption in microglia, leading to release of large micronuclei from the cells, recruitment and activation of cGAS and AIM2 cytoplasmic DNA sensors, and ultimately leading to activation of the cGAS-STING pathway and the AIM2 inflammasome [234]. TTField-treated GBM cells induced anti-tumor memory immunity and resulted in 42 to 66% cure rates in a STING and AIM2-dependent manner [234]. PtII complexes, Pt1and Pt2, acted as photoactivators of the cGAS-STING pathway, disrupted the mitochondrion and nuclear envelope under light exposure, resulting in cytoplasmic leakage of mtDNA and activation of the cGAS-STING pathway to induce pyroptosis in tumor cells [235]. In addition, activation of the NLRP3 inflammasome and caspase-1 cleavage in macrophages may be promoted by radiation-induced ROS generation or mitochondrial damage [236]. Radiation-induced nuclear DNA leakage into the cytoplasm can be detected by cGASSTING and activate the immune response; however, knockdown of NLRP3 over-activated the cGAS-STING pathway in macrophages and promoted pyroptosis and radiation-induced tissue damage in mice [237], suggesting that NLRP3 knockdown increases radiation-activated cGAS-STING-mediated IFN- production, highlighting the importance of fine-tuned regulation.

Innate immune responses are rapid responses to disease agents or danger cues that are precisely timed to both effectively combat disease agents and limit excessive inflammation and tissue damage. However, overactivation of innate immunity has been shown to be detrimental and can lead to various diseases. The study of cGAS-STING, inflammasomes and pyroptosis is a rich area within immunology, with rapidly emerging insights into how it works and how to regulate. Due to the similarities in the cGAS-STING, inflammasomes and pyroptosis signaling pathways response to cellular stress and downstream effects, the main review in this paper focuses on their crosstalk network. NLRP3, AIM2 inflammasomes are able to antagonize the cGAS-STING signaling pathway. Upon activation of canonical and noncanonical inflammasomes, caspase-1 could also cleaves cGAS, indicating cross-regulation between intracellular DNA-sensing pathways. Moreover, the cGAS-STING pathway can also be regulated by disrupting the CARD domain of the linker protein ASC in the inflammasome complex. cGAS-STING acts as an important immune axis for microbial infection, chronic inflammation, cancer progression and organ degeneration [ ], and also regulates NLRP3, AIM2 inflammasomes.

The cGAS-STING signaling pathway interacts with AIM2 and NLRP3 inflammasome mainly caused by regulatory molecules such as Ox-mtDNA, mtROS, GSDMD, cGAMP and NAT10. mtDNA exposure to ROS induces Ox-mtDNA production, triggering intracytoplasmic NLRP3 inflammasome activation, leading to phosphorylation of STING, which activates the cGAS-STING signaling pathway. AIM2 senses bacterial dsDNA, triggers the formation of the AIM2 inflammasome, leads to the GSDMD cleavage to form membrane pores, thereby limiting bacterial dsDNA binding to cGAS, inhibiting cGAS-STING pathway activation. NAT10 is a negative regulatory factor of neutrophil pyroptosis and overexpression inhibits pyroptosis by blocking the ULK1-STING-NLRP3 pathways. On the other hand, ULK1 has been shown to be involved in NLRP3 autophagy, suggesting that ULK1 has a direct regulatory role on NLRP3 inflammasome in addition to STING inhibition. These key regulatory molecules are critical for the regulation of the crosstalk network of cGAS-STING, inflammasomes, and pyroptosis, and will also provide a strong reference for the selection of therapeutic targets.

Thus, modulating this innate immune system has the potential to treat a broad range of diseases, including infections, neurodegeneration, autoinflammation, metabolic disorders, and cancer. Recent studies have shown that the crosstalk network of cGAS-STING, inflammasomes, and pyroptosis exacerbates cardiac,
liver, lung, kidney, spinal cord, nervous system inflammation, induces autoimmune disease and promotes the progression of malignant tumors. While refinement of our understanding of cGAS-STING, inflammasome and pyroptosis continues, targeting of this crosstalk network as a therapeutic for multiple diseases is rapidly progressing. We therefore summarize the involvement of natural products, synthetic substances, recombinant vaccines, and physical factors in regulating the cGAS-STING, inflammasomes and pyroptosis pathways crosstalk network, providing potential candidates for the treatment of related diseases. As the epitome of precision medicine in inflammatory diseases, the continued profiling, refinement and re-purposing of direct and specific modulators will drive future clinical translation.
In summary, the cGAS-STING signaling pathway generates cascade amplification effects between inflammasomes, and pyroptosis, and activates immune inflammatory responses. On the one hand, the crosstalk of these signaling pathways can affect parenchymal organs such as heart, liver, lung, and kidney, and aggravate the development process of inflammatory diseases; in addition, it is also closely related to the progression of several autoimmune diseases. Therefore, further investigations are promising to uncover novel regulatory mechanisms that may provide new opportunities for therapeutic intervention in the exciting field of the crosstalk network of cGAS-STING, inflammasomes and the pyroptosis signaling axis.

Not applicable.

ZW, JL, and JT: Conceptualization; JL, JZ, and YL: Data curation; ZW: Funding acquisition; JL, XM, and XL: Investigation; ZW and JL: Methodology; JZ and YL: Resources; XM and JL: Software; ZW and JT: Supervision; JL and JT: Visualization; ZW and JL: Writing – original draft; JT and XM: Writing – review & editing.

This work has been supported by the National Natural Science Foundation of China (82204706), China Postdoctoral Science Foundation (2022MD723714).

Not applicable.

Not applicable.

Not applicable.

The authors declare no competing interests.

Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610075, China. TCM Regulating Metabolic Diseases Key Laboratory
of Sichuan Province, Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610075, China. The Second Hospital of Ningbo, Ningbo 315099, China. Putuo Hospital, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China. Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200080, China.

Received: 23 August 2023 Accepted: 28 December 2023
Published online: 09 January 2024

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.