信号通路16—JAK/STAT Signaling

原创 2017-12-13 订阅号APExBIO

图1 JAK/STAT信号通路图

一、JAK/STAT的介绍及主要组分

JAK/STAT（Janus kinase/signal transducers and activators of transcription，Janus激酶/信号转导子和转录激活子）信号通路将来自细胞外的化学信号传递给细胞核，导致与免疫、增殖、分化、凋亡和肿瘤发生等相关的基因的DNA转录和表达。JAK-STAT信号级联由三个主要成分组成：细胞表面受体，一个JAK，两个STAT蛋白。JAK-STAT功能紊乱或失调可导致免疫缺陷综合症和癌症。

图2 JAK-STAT信号传导

配体（细胞因子）与受体结合——JAKs活化和磷酸化——STATs磷酸化和二聚化——STATs进入核——调节靶基因转录。各种配体，通常是细胞因子（cytokines），如干扰素、白细胞介素和生长因子与细胞表面的受体结合，激活相关的JAKs。JAKs在C末端具有串联的激酶同源结构域，是独特的。第一个是非催化调节结构域，而第二个具有酪氨酸激酶活性。在哺乳动物中，JAK家族由四个成员组成：JAK1，JAK2，JAK3和Tyk2。随后活化的JAKs使其自身和受体磷酸化。STATs在C-末端附近具有由JAK磷酸化的保守酪氨酸残基。该磷酸酪氨酸通过与保守的SH2结构域相互作用导致STATs的二聚化。磷酸化的STATs二聚物通过依赖importinα-5（也称为核蛋白相互作用蛋白1）和Ran核输入途径进入细胞核。一旦在细胞核中，二聚化的STAT结合特定的调节序列以激活或抑制靶基因的转录。因此，JAK / STAT级联提供了将细胞外信号转化为转录反应的直接机制。迄今为止，已经鉴定了7个STAT家族成员：STAT1，STAT2，STAT3，STAT4，STAT5a，STAT5b和STAT6。

位于活化的JAKs和受体上的磷酸化位点也是其它含SH2结构域蛋白的停靠位点，这样该通路可以与其它信号通路连接起来，如RTK、PI3K/AKT和MAPK通路。

二、JAK/STAT的正向调控

除了该通路的主要组分之外，其它效应蛋白参与JAK / STAT信号传导。STAMs（signal-transducing adapter molecules，信号转导衔接分子）是具有保守的VHS和SH3结构域的衔接分子。STAM1和STAM2A可以被JAK1-JAK3以依赖于某些STAMs中存在的第三结构域ITAM（诱导型基于酪氨酸的激活基序）的方式磷酸化。STAM促进特定靶基因（包括MYC）的转录激活。

促进JAK / STAT通路活化的第二个衔接子是StIP（stat-相互作用蛋白），一种WD40蛋白。 StIPs可以与JAKs和非磷酸化的STATs相关联，可能作为支架促进JAKs磷酸化STATs。促进JAK / STAT激活的第三类衔接子是SH2B / Lnk / APS家族。这些蛋白质含有pleckstrin同源性和SH2结构域，也是JAKs磷酸化的底物。SH2-Bβ和APS都与JAKs相关，但是前者促进JAK / STAT信号，而后者抑制JAK / STAT信号。

图3 JAK、STAT、SOCS、SHP的结构域

三、JAK/STAT的负向调控

除了JAK / STAT通路的效应子（effectors）之外，还有三类主要的负调控因子：SOCS（细胞因子信号转导抑制因子，suppressors of cytokine signaling），PIAS（激活stats蛋白抑制因子，protein inhibitors of activated stats）和PTPs（蛋白酪氨酸磷酸酶，protein tyrosine phosphatases）。

SOCS蛋白是至少有8个成员的家族，在C端包含SH2结构域和一个SOCS盒。SOCS在JAK / STAT通路中完成简单的负反馈循环：激活的STATs刺激SOCS基因的转录，并且所得到的SOCS蛋白结合磷酸化的JAKs及其受体以关闭通路。SOCS可以通过三种方式影响其负向调控。首先，通过结合受体上的磷酸酪氨酸，SOCS物理阻断STATs等信号转导体向受体的募集。其次，SOCS蛋白可以直接结合JAKs或受体来特异性抑制JAK激酶活性。第三，SOCS与延伸蛋白BC复合物和cullin 2相互作用，促进JAKs和可能的受体的泛素化。这些靶点的泛素化通过靶向蛋白酶体降解来降低它们的稳定性。

第二类负调控因子PIAS蛋白，包括PIAS1、PIAS3、PIASx和PIASy。这些蛋白在中央部分具有锌结合的RING指结构域，在N端具有高度保守的SAP（SAF-A / Acinus / PIAS）结构域，以及保守性较差的羧基结构域。后一个结构域参与靶蛋白结合。PIAS蛋白与激活的STAT二聚体结合并阻止它们结合DNA。PIAS蛋白的作用机制尚不清楚。然而，PIAS蛋白最近已被证明与E2连接酶Ubc9相关，并具有由RING指结构域介导的SUMO化的E3连接酶活性。虽然有证据表明可以通过SUMO化来修饰STAT，但负调控修饰的功能尚不清楚。

也许最简单的是酪氨酸磷酸酶，它逆转了JAKs的活性。最好的例证是小鼠motheaten基因的产物SHP-1。SHP-1含有两个SH2结构域，可以结合磷酸化的JAKs或磷酸化的受体，以促进这些激活的信号分子的去磷酸化。其它酪氨酸磷酸酶，例如CD45，似乎通过一部分受体调节JAK / STAT信号传导。

四、JAK/STAT与其它信号通路相互作用

虽然从理论上看JAK / STAT信号传导的机制相对简单，但是该通路可以与其它信号通路相互作用。最常见的是受体酪氨酸激酶（RTK）/ Ras / MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）通路。这些级联之间的关系是复杂的，它们的路径交叉在多个层次上，每一个都增强了另一个的激活。首先，活化的JAKs可以磷酸化其相关受体上的酪氨酸，其可以作为来自其它信号传导途径含有SH2结构域的停靠位点。这些包括SHP-2和Shc，其招募GRB2衔接子并刺激Ras级联。

相同的机制刺激其它级联，例如胰岛素受体底物（IRS）和p85的募集和JAK磷酸化，其导致磷酸肌醇3-激酶（PI3K）途径的活化。JAK / STAT信号通过SOCS3的转录激活也间接促进了Ras信号传导。SOCS3与Ras信号的负调节物RasGAP结合，并降低其活性，从而促进Ras途径的激活。

相反地，RTK通路活性通过至少两种机制促进JAK / STAT信号传导。首先，一些RTKs（包括EGFR和PDGFR）的激活导致STATs的JAK-非依赖性酪氨酸磷酸化，可能由Src激酶引起。其次，RTK / Ras通路刺激引起MAPK的下游激活。MAPK特异性磷酸化大多数STATs的C-末端附近的丝氨酸。尽管对于STAT活性不是绝对必要的，但是这种丝氨酸磷酸化通过STAT显著增强转录激活。除了RTK和PI3K与JAK / STAT信号传导的相互作用之外，最近还报道了与TGF-β信号传导通路的多重交互。

五、JAK/STAT通路与疾病发生

JAK/STAT通路介导多种细胞因子如促红细胞生成素、血小板生成素和G-CSF的作用，这些细胞因子分别是用于治疗贫血、血小板减少和中性粒细胞减少症的蛋白质药物。该通路还介导干扰素（interferons）的信号传导，干扰素被用作抗病毒剂和抗增殖剂。异常的IL-6信号传导导致自身免疫疾病、炎症和癌症如前列腺癌和多发性骨髓瘤。在过度表达EGFR的成胶质细胞瘤细胞中，对EGFR激酶抑制剂的抗性是由Jak2通过FERM结构域与EGFR结合而诱导。

激活Jak突变在人类血液恶性肿瘤中很常见。研究人员在Jak2假性激酶结构域（V617F）中发现了一种独特的体细胞突变，这种突变常见于真性红细胞增多症、原发性血小板增多症和特发性骨髓纤维化。研究人员还在成人T细胞急性淋巴细胞白血病中发现了Jak1的体细胞功能获得性突变。Jak1，Jak2和Jak3中的体细胞活化突变也在小儿急性淋巴细胞性白血病（ALL）中被鉴定。

六、JAK/STAT通路的抑制剂

Ruxolitinib（鲁索替尼）是FDA批准的第一个抑制JAK1和JAK2的抑制剂。它被批准用于治疗中危和高危原发性骨髓纤维化。在治疗JAK2功能性突变方面是有效的，如骨髓纤维化、真性红细胞增多症和局部用于治疗牛皮癣等。

Tofacitinib（托法替尼）是一种选择性JAK抑制剂，被批准用于人类疾病的治疗。Tofacitinib被广泛研究，对控制先天免疫和适应性免疫都是有效的。对JAK3的效果最好，而JAK2受Tofacitinib影响最小。由于JAK3不同于其他JAK，仅限于常见γ链家族的细胞因子；因此，Tofacitinib抑制IL-2，IL-4，IL-7，IL-9，IL-15和IL-21细胞因子。此外，可以阻断IFN-γ，IL-6，IL-13和较少程度的IL-12和IL-23。 Tofacitinib的一个有趣的特性是除了JAK之外对其它激酶没有影响。Tofacitinib是第一个被批准用于治疗类风湿性关节炎（RA）的JAK抑制剂。

Oclacitinib（奥拉替尼）最近被批准为泛JAK抑制剂，用于治疗犬的特应性皮炎。目前尚未用于人类，但其治疗过敏性皮肤病的有效性使其成为用于免疫介导的皮肤病学疾病的有效候选药物。

Momelotinib是一种JAK1 / 2抑制剂，在I / II期试验中显示MF患者贫血的减少。2017年期间正在进行III期临床试验。

Peficitinib可以在体外和离体情况下抑制JAK1和JAK3，STAT5的磷酸化；在体外抑制IL-2依赖的T细胞增殖。Peficitinib具有治疗RA的潜力。

Dihydroartemisinin（双氢青蒿素），STAT3抑制剂，可能是治疗头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）的新型有效药物。STA-21是一种动态的STAT3抑制剂，影响RA的扩展和进展。