JAK-STAT途径

JAK-STAT途径是新近发现的一条多种细胞因子共用的信号传导途径,其作用模式已基本搞清,但对其作用环节中的调控及与其它细胞因子信号传导途径的联系仍有待深入研究。

细胞如何对各种胞外调节信号作出特异性应答,即细胞信号传导机制的研究,是近年来的一个研究热点。目前已知大多数细胞中存在两条传导细胞因子刺激信号的基本途径:Ras-MAPK途径和JAK-STAT途径。前者在研究多种生长因子的信号传导中发现,可能主要与传递细胞增殖信号有关;后者发现于干扰素的信号传导研究中,现在已知在几乎所有细胞因子信号的传递中,该途径都发挥着重要的作用[1,2]。JAK即Janus Kinase(两面神激酶),是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶(PTK)。该族成员有7个同源区(JH1~7),其中JH1区为激酶区,JH2区为伪激酶区。与其它PTK不同,JAK内无Src同源区2(SH2)结构,因其既能催化与之相连的细胞因子受体发生酪氨酸磷酸化,又能磷酸化多种含特定SH2区的信号分子从而使其激活,故称之为Janus-罗马神话中前后各有一张脸的门神。STAT即Signal transducers and activators of transcription(信号传导及转录激活因子),含有SH2和SH3结构域,可与特定的含磷酸化酪氨酸的肽段结合。当STAT被磷酸化后,发生聚合成为活化的转录激活因子形式,进入胞核内与靶基因结合,促进其转录。现在已克隆成功4种JAK(JAK1~3和Tyk2)与6种STAT(Stat1~6)。

该途径的基本作用模式为:配体诱发相应受体形成二聚体或寡聚体,引起与受体结合的JAK相互作用,发生自身酪氨酸磷酸化而激活;同时催化受体发生酪氨酸磷酸化,继而以这些磷酸化的酪氨酸为"锚点",招引多种含特定SH2区的信号分子,并将其活化,通过这些分子的作用使胞外信号传入胞核内。但随着研究的深入,发现该途径并非这样简单,其调控机制精细多样,与别的信号传导途径有错综复杂的联系。这方面的工作虽开始不久,但取得的成果已使人们对信号传导的认识上升到了一个新的层次。

1 MAPK与JAK-STAT途径

MAPK即丝裂原激活的蛋白激酶(Mitogen activated protein kinase),是Ras途径中的下游信号分子,具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性,可激活C-Fos、C-Jun等转录调节因子,形成AP-1作用于核内,激活特定的基因从而传递信号。MAPK的激活需要其分子中特定的Tyr残基和Ser残基同时被磷酸化[3]。以前认为,Ras途径与JAK途径虽共存于细胞因子的信号传导中,但互相独立。前者与Ⅰ型细胞因子受体C-端序列有关,后者则结合在受体胞浆区近膜端［4,5］。受体C-端序列缺失则不能激活Ras途径,而JAK-STAT途径不受影响。

最近的发现表明,MAPK可能处于调节这两条途径的关键位置。开始时发现JAK的激活伴有MAPK的活化,且仅有JAK激活不足以使STAT最大程度地发挥其转录激活活性。接着证实,Stat3在传导信号时不仅发生了Tyr残基磷酸化,同时还有Ser残基磷酸化[6],且磷酸化的Ser残基为与DNA上的调节区结合所必需；并证明STAT蛋白上存在可被MAPK识别且磷酸化的特异性序列[7]。与Stat3类似,Stat1也必需有Ser残基磷酸化才能完全活化。含这一Ser残基的序列正是上述可被MAPK识别且磷酸化的特异性序列,并在体外成功的用MAPK使含此序列的多肽Ser残基磷酸化[8]。

体外实验表明,在经Ⅰ型IFN刺激过的细胞中,MAPK与INFR-α链相互作用而被活化,随之与Stat1相结合并促进其活性[9]。当MAPK的作用被阻断时,STAT促进基因转录的活性降低。从以上现象可推论:STAT是MAPK的天然底物之一,细胞中存在着MAPK-STAT这一信号传导的旁路或调节方式。新近发现生长激素刺激的雄鼠肝细胞中,Stat5丝氨酸磷酸化后发挥与以前不同的转录调节活性[10],这一效应很可能也是经MAPK介导。

目前对JAK如何活化MAPK仍不清楚,可能是直接作用,也可能是通过活化Ras-MAPK途径。Ⅰ型细胞因子受体如何活化Ras也不清楚,一般认为应与含PTK活性的生长因子受体类似。后者先诱导Shc磷酸化,再通过Shc与Grb2的SH-2、SH-3区募集Ras,并通过Shc与mSos活化Ras［11］。已知IL-2、IL-3、IL-5、IL-6和EPO等都能诱导Shc磷酸化,而如干扰JAK与受体复合物的结合则使Shc磷酸化明显降低［12］。近来发现，EPO的这种作用不依赖EPOR与Shc的结合,而是经Shc的SH-2区与JAK2上磷酸化的酪氨酸残基相结合［13］。已证实JAK2有使Shc磷酸化的功能,但是否有其它磷酸化蛋白参与Shc的活化与募集仍不清楚。

2 SH-PTP1的负反馈调节作用

SH-PTP1即含SH2区的酪氨酸磷酸酶(PTPase1)。PTPase分为跨膜型与非跨膜型两种,SH-PTP1和2都属于后者。SH-PTP2参与受体型PTK介导的信号传递,可看作是一种正的信号传递分子；SH-PTP1则主要对PTK介导的信号传递起抑制作用。与其它广泛表达的酪氨酸磷酸酶不同,SH-PTP1(又称PTP1C、HCP或SHP)主要表达于造血细胞中。起初发现SH-PTP1在IL-3作用后与IL-3Rβ链结合［14］,经SH-PTP1反义RNA作用后,IL-3Rβ链磷酸化水平升高。不能正常表达SH-PTP1的Motheaten小鼠表现出多种造血异常及免疫异常[15],其CFU-E前体细胞对EPO高度敏感,常伴有系统性自身免疫性疾病。

已知IL-3和EPO都主要通过JAK2传导信号[3,4]。不久前证实,EPOR上第429位酪氨酸在EPO作用后被JAK磷酸化,从而具备了结合SH-PTP1并使之活化的能力[16]。这一作用的特异性取决于该残基周围特定的氨基酸序列,即PY-Leu-Tyr-Leu-Val-Val,含有这段序列的11肽即足以结合并活化SH-PTP1。EPOR上此种酪氨酸的缺失可使细胞对EPO的敏感性升高5到10倍。EPOR野生型的细胞、JAK2的酪氨酸磷酸化水平在EPO作用后很快恢复正常,而表达上述第429位酪氨酸突变的EPOR的细胞,这一指标长时间保持在高水平。IL-3R中含有与EPOR中SH-PTP1结合位点相似的序列,提示在IL-3的信号传导中可能存在类似的负反馈调节机制。

与之类似,当IFN-α作用后,IFN-α受体可与SH-PTP1可逆性结合［17］。同样，接受这种刺激的Moptheaten小鼠巨噬细胞中,JAK1和Stat1酪氨酸磷酸化水平明显高于正常,而对Ⅰ型IFN信号传导同样重要的TYK2,Stat2活化水平则无明显变化。已知在Ⅰ型IFN信号传导中,JAK1特异性的活化Stat1,而Tyk1特异性的活化Stat2［18］。因此可认为,上述现象是SH-PTP1选择性作用于JAK1所致,其具体机制值得进一步研究。最近发现,SH-PTP1的两个SH2区中,N-端SH2区可与其分子内的酶活性区结合而起自身抑制作用,当此区与其它分子结合时，SH-PTP1即被激活［19］;而C-端的SH2区对其活性无明显影响,只参与其募集过程。

3 JAK和/或STAT的功能

STATs调节的基因范围很广:IFN调控基因的表达需要Stat1和2；IL-6诱导的急性期反应基因的表达需要Stat3；Stat5介导催乳素诱导的多种基因表达；Stat6为IL-4诱导的免疫球蛋白类别转换和MHCⅡ类抗原与免疫球蛋白受体等的上调所必需。目前看来，Stats与细胞因子引起的增殖反应无关,IL-2、IL-4和IL-6都可使突变型受体不激活STAT而引发增殖反应［11］。

有人发现，果蝇中JAK同源体的突变可导致其细胞转化。HTLV-1感染引起的细胞转化据认为也是JAK-STAT的激活所致,可能为直接或间接地以一种类似受体介导的方式激活该途径［20］。在v-src转化的细胞中，观察到有组成性的Stat-3酪氨酸磷酸化［21］,这一效应是否需JAK介导尚不清楚。这种细胞中可观察到有JAK家族激酶活化,但在其它系统中观察到v-src可直接活化Stat-3。v-ab1转化的小鼠前B细胞中,JAK1、JAK3表现出组成性激酶活性,且可激活通常是由IL-4、IL-7诱导的STAT活性,而此时并无此两种IL存在[22]。以上证据提示，JAK和/或STATs激活可能与细胞转化有关。EGF、CSF-1和PDGF均能诱导STAT活化,在这些系统中STAT的作用还不清楚。近来发现EGF激活Stat-1、3不依赖JAK,而是经EGFR内的激酶区起作用［23］,尽管这时有JAK1活化。目前看来,EGF的生长信号主要由Ras途径传导。STAT对c-fos等已知早期基因的激活作用不大,提示可能存在其它未知的靶基因。

已知JAK能直接或间接磷酸化Vav,PLC-β1等其它信号分子,从而激活其它信号传导通路?［26］。IL-4诱导的胰岛素受体底物(IRS)1、2的磷酸化也需JAK的活化［27］。而经其相应的受体型酪氨酸蛋白激酶传导信号的细胞因子,如EGF、PDGF,CSF-1等,也能诱导STAT活化。综上所述,可见JAK和STAT除了共同构成JAK-STAT途径传导信号外,各有其相对独立的作用。

4 其它调节JAK/STAT途径的分子

IFN-γ主要通过诱导Stat-1同源二聚体(又称IFN-γ反应因子,简称GAF)形成而传导信号,已知IFN-γ可抑制Th2细胞的增生而对Th1细胞无此作用。近来发现,这是因为Th1细胞缺乏IFN-γ受体的β链(又称辅助因子1/AF-1),不能诱导GAF形成之故［24］。上文提到,Ⅰ型IFN诱导GAF形成受SH-PTP1的选择性调节,提示体内JAK-STAT途径受到十分精细的调节。Th1/Th2的失衡可导致多种疾病,这些发现使我们有可能在分子水平上理解这种失衡,并对其进行干预。

最近研究发现,腺苷酸环化酶激活剂forskolin可明显抑制IFN诱导的IFNR、JAK1、TRK2和Stat1、Stat2的磷酸化［29］,以及与IFN反应元件结合的复合物的形成;而forskolin经修饰失去腺苷酸环化酶激活活性后,对JAK-STAT途径不起任何作用,提示蛋白激酶A(需cAMP以激活)可能对JAK-STAT途径起调节作用。

5 研究展望

目前对JAK的结构仍未完全搞清。除了活化位点外,还有数个未确定的磷酸化位点,它们可能参与募集其它信号分子。JAK与受体近膜区结合的功能域还未确定,JAK同源区和伪激酶区的功能尚待研究。关于STAT也有许多问题没有搞清：如STAT多聚体怎样转入核内，与STAT同属一类的IRF-1、ICSBP等是否与其它STAT成员结合而发挥功能等。各种不同的JAK和STAT基因敲除(gene knock out)小鼠将有助于解答这些问题。

此外,JAK和STAT与疾病的关系及其应用研究，也是一个很吸引人的领域。这方面已发现一例先天性JAK3缺乏的患儿,其症状类似于性联重症联合免疫缺陷病(XSCID),但为常染色体隐性遗传［25］。急性白血病患者外周血细胞中,STAT相关性转录因子组成性活化,可能是白血病的病因之一［28］。此外，可能还存在机理更复杂的相关疾病,有待进一步研究。

总之,对JAK-STAT途径的研究在解答以往疑问的同时,引出了许多更为复杂的问题。此领域的研究,尤其是在JAK-STAT与其它信号传导途径之间的关系方面,必将有助于更全面深入地理解信号传导这一重大的生命之谜。?