概述
JAK-STAT途徑是新近發現的一條多種細胞因子共用的信號傳導途徑,其作用模式已基本搞清,但對其作用環節中的調控及與其它細胞因子信號傳導途徑的聯繫仍有待深入研究。
相關介紹
細胞如何對各種胞外調節信號作出特異性應答,即細胞信號傳導機制的研究,是近年來的一個研究熱點。目前已知大多數細胞中存在兩條傳導細胞因子刺激信號的基本途徑:Ras-MAPK途徑和JAK-STAT途徑。前者在研究多種生長因子的信號傳導中發現,可能主要與傳遞細胞增殖信號有關;後者發現於干擾素的信號傳導研究中,現在已知在幾乎所有細胞因子信號的傳遞中,該途徑都發揮著重要的作用【1,2】。JAK即Janus Kinase(兩面神激酶),是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶(PTK)。該族成員有7個同源區(JH1~7),其中JH1區為激酶區,JH2區為偽激酶區。與其它PTK不同,JAK內無Src同源區2(SH2)結構,因其既能催化與之相連的細胞因子受體發生酪氨酸磷酸化,又能磷酸化多種含特定SH2區的信號分子從而使其激活,故稱之為Janus-羅馬神話中前後各有一張臉的鬥神。STAT即Signal transducers and activators of transcription(信號傳導及轉錄激活因子),含有SH2和SH3結構域,可與特定的含磷酸化酪氨酸的肽段結合。當STAT被磷酸化後,發生聚合成為活化的轉錄激活因子形式,進入胞核內與靶基因結合,促進其轉錄。現在已克隆成功4種JAK(JAK1~3和Tyk2)與6種STAT(Stat1~6)。
該途徑的基本作用模式為:配體誘發相應受體形成二聚體或寡聚體,引起與受體結合的JAK相互作用,發生自身酪氨酸磷酸化而激活;同時催化受體發生酪氨酸磷酸化,繼而以這些磷酸化的酪氨酸為"錨點",招引多種含特定SH2區的信號分子,並將其活化,通過這些分子的作用使胞外信號傳入胞核內。但隨著研究的深入,發現該途徑並非這樣簡單,其調控機制精細多樣,與別的信號傳導途徑有錯綜複雜的聯繫。這方面的工作雖開始不久,但取得的成果已使人們對信號傳導的認識上升到了一個新的層次。
1 MAPK與JAK-STAT途徑
MAPK即絲裂原激活的蛋白激酶(Mitogen activated protein kinase),是Ras途徑中的下游信號分子,具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性,可激活C-Fos、C-Jun等轉錄調節因子,形成AP-1作用於核內,激活特定的基因從而傳遞信號。MAPK的激活需要其分子中特定的Tyr殘基和Ser殘基同時被磷酸化【3】。以前認為,Ras途徑與JAK途徑雖共存於細胞因子的信號傳導中,但互相獨立。前者與Ⅰ型細胞因子受體C-端序列有關,後者則結合在受體胞漿區近膜端［4,5］。受體C-端序列缺失則不能激活Ras途徑,而JAK-STAT途徑不受影響。
最近的發現表明,MAPK可能處於調節這兩條途徑的關鍵位置。開始時發現JAK的激活伴有MAPK的活化,且僅有JAK激活不足以使STAT最大程度地發揮其轉錄激活活性。接著證實,Stat3在傳導信號時不僅發生了Tyr殘基磷酸化,同時還有Ser殘基磷酸化【6】,且磷酸化的Ser殘基為與DNA上的調節區結合所必需；並證明STAT蛋白上存在可被MAPK識別且磷酸化的特異性序列【7】。與Stat3類似,Stat1也必需有Ser殘基磷酸化才能完全活化。含這一Ser殘基的序列正是上述可被MAPK識別且磷酸化的特異性序列,並在體外成功的用MAPK使含此序列的多肽Ser殘基磷酸化【8】。
體外實驗表明,在經Ⅰ型IFN刺激過的細胞中,MAPK與INFR-α鏈相互作用而被活化,隨之與Stat1相結合併促進其活性【9】。當MAPK的作用被阻斷時,STAT促進基因轉錄的活性降低。從以上現象可推論:STAT是MAPK的天然底物之一,細胞中存在著MAPK-STAT這一信號傳導的旁路或調節方式。新近發現生長激素刺激的雄鼠肝細胞中,Stat5絲氨酸磷酸化後發揮與以前不同的轉錄調節活性【10】,這一效應很可能也是經MAPK介導。
目前對JAK如何活化MAPK仍不清楚,可能是直接作用,也可能是通過活化Ras-MAPK途徑。Ⅰ型細胞因子受體如何活化Ras也不清楚,一般認為應與含PTK活性的生長因子受體類似。後者先誘導Shc磷酸化,再通過Shc與Grb2的SH-2、SH-3區募集Ras,並通過Shc與mSos活化Ras［11］。已知IL-2、IL-3、IL-5、IL-6和EPO等都能誘導Shc磷酸化,而如干擾JAK與受體複合物的結合則使Shc磷酸化明顯降低［12］。近來發現，EPO的這種作用不依賴EPOR與Shc的結合,而是經Shc的SH-2區與JAK2上磷酸化的酪氨酸殘基相結合［13］。已證實JAK2有使Shc磷酸化的功能,但是否有其它磷酸化蛋白參與Shc的活化與募集仍不清楚。
2 SH-PTP1的負反饋調節作用
SH-PTP1即含SH2區的酪氨酸磷酸酶(PTPase1)。PTPase分為跨膜型與非跨膜型兩種,SH-PTP1和2都屬於後者。SH-PTP2參與受體型PTK介導的信號傳遞,可看作是一種正的信號傳遞分子；SH-PTP1則主要對PTK介導的信號傳遞起抑制作用。與其它廣泛表達的酪氨酸磷酸酶不同,SH-PTP1(又稱PTP1C、HCP或SHP)主要表達於造血細胞中。起初發現SH-PTP1在IL-3作用後與IL-3Rβ鏈結合［14］,經SH-PTP1反義RNA作用後,IL-3Rβ鏈磷酸化水平升高。不能正常表達SH-PTP1的Motheaten小鼠表現出多種造血異常及免疫異常【15】,其CFU-E前體細胞對EPO高度敏感,常伴有系統性自身免疫性疾病。
已知IL-3和EPO都主要通過JAK2傳導信號【3,4】。不久前證實,EPOR上第429位酪氨酸在EPO作用後被JAK磷酸化,從而具備了結合SH-PTP1並使之活化的能力【16】。這一作用的特異性取決於該殘基周圍特定的胺基酸序列,即PY-Leu-Tyr-Leu-Val-Val,含有這段序列的11肽即足以結合併活化SH-PTP1。EPOR上此種酪氨酸的缺失可使細胞對EPO的敏感性升高5到10倍。EPOR野生型的細胞、JAK2的酪氨酸磷酸化水平在EPO作用後很快恢復正常,而表達上述第429位酪氨酸突變的EPOR的細胞,這一指標長時間保持在高水平。IL-3R中含有與EPOR中SH-PTP1結合位點相似的序列,提示在IL-3的信號傳導中可能存在類似的負反饋調節機制。
與之類似,當IFN-α作用後,IFN-α受體可與SH-PTP1可逆性結合［17］。同樣，接受這種刺激的Moptheaten小鼠巨噬細胞中,JAK1和Stat1酪氨酸磷酸化水平明顯高於正常,而對Ⅰ型IFN信號傳導同樣重要的TYK2,Stat2活化水平則無明顯變化。已知在Ⅰ型IFN信號傳導中,JAK1特異性的活化Stat1,而Tyk1特異性的活化Stat2［18］。因此可認為,上述現象是SH-PTP1選擇性作用於JAK1所致,其具體機制值得進一步研究。最近發現,SH-PTP1的兩個SH2區中,N-端SH2區可與其分子內的酶活性區結合而起自身抑制作用,當此區與其它分子結合時，SH-PTP1即被激活［19］;而C-端的SH2區對其活性無明顯影響,只參與其募集過程。
3 JAK和/或STAT的功能
STATs調節的基因範圍很廣:IFN調控基因的表達需要Stat1和2；IL-6誘導的急性期反應基因的表達需要Stat3；Stat5介導催乳素誘導的多種基因表達；Stat6為IL-4誘導的免疫球蛋白類別轉換和MHCⅡ類抗原與免疫球蛋白受體等的上調所必需。目前看來，Stats與細胞因子引起的增殖反應無關,IL-2、IL-4和IL-6都可使突變型受體不激活STAT而引發增殖反應［11］。
有人發現，果蠅中JAK同源體的突變可導致其細胞轉化。HTLV-1感染引起的細胞轉化據認為也是JAK-STAT的激活所致,可能為直接或間接地以一種類似受體介導的方式激活該途徑［20］。在v-src轉化的細胞中，觀察到有組成性的Stat-3酪氨酸磷酸化［21］,這一效應是否需JAK介導尚不清楚。這種細胞中可觀察到有JAK家族激酶活化,但在其它系統中觀察到v-src可直接活化Stat-3。v-ab1轉化的小鼠前B細胞中,JAK1、JAK3表現出組成性激酶活性,且可激活通常是由IL-4、IL-7誘導的STAT活性,而此時並無此兩種IL存在【22】。以上證據提示，JAK和/或STATs激活可能與細胞轉化有關。EGF、CSF-1和PDGF均能誘導STAT活化,在這些系統中STAT的作用還不清楚。近來發現EGF激活Stat-1、3不依賴JAK,而是經EGFR內的激酶區起作用［23］,儘管這時有JAK1活化。目前看來,EGF的生長信號主要由Ras途徑傳導。STAT對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能直接或間接磷酸化Vav,PLC-β1等其它信號分子,從而激活其它信號傳導通路［26］。IL-4誘導的胰島素受體底物(IRS)1、2的磷酸化也需JAK的活化［27］。而經其相應的受體型酪氨酸蛋白激酶傳導信號的細胞因子,如EGF、PDGF,CSF-1等,也能誘導STAT活化。綜上所述,可見JAK和STAT除了共同構成JAK-STAT途徑傳導信號外,各有其相對獨立的作用。
4 其它調節JAK/STAT途徑的分子
IFN-γ主要通過誘導Stat-1同源二聚體(又稱IFN-γ反應因子,簡稱GAF)形成而傳導信號,已知IFN-γ可抑制Th2細胞的增生而對Th1細胞無此作用。近來發現,這是因為Th1細胞缺乏IFN-γ受體的β鏈(又稱輔助因子1/AF-1),不能誘導GAF形成之故［24］。上文提到,Ⅰ型IFN誘導GAF形成受SH-PTP1的選擇性調節,提示體內JAK-STAT途徑受到十分精細的調節。Th1/Th2的失衡可導致多種疾病,這些發現使我們有可能在分子水平上理解這種失衡,並對其進行干預。
最近研究發現,腺苷酸環化酶激活劑forskolin可明顯抑制IFN誘導的IFNR、JAK1、TRK2和Stat1、Stat2的磷酸化［29］,以及與IFN反應元件結合的複合物的形成;而forskolin經修飾失去腺苷酸環化酶激活活性後,對JAK-STAT途徑不起任何作用,提示蛋白激酶A(需cAMP以激活)可能對JAK-STAT途徑起調節作用。
5 研究展望
目前對JAK的結構仍未完全搞清。除了活化位點外,還有數個未確定的磷酸化位點,它們可能參與募集其它信號分子。JAK與受體近膜區結合的功能域還未確定,JAK同源區和偽激酶區的功能尚待研究。關於STAT也有許多問題沒有搞清：如STAT多聚體怎樣轉入核內，與STAT同屬一類的IRF-1、ICSBP等是否與其它STAT成員結合而發揮功能等。各種不同的JAK和STAT基因敲除(gene knock out)小鼠將有助於解答這些問題。
此外,JAK和STAT與疾病的關係及其套用研究，也是一個很吸引人的領域。這方面已發現一例先天性JAK3缺乏的患兒,其症狀類似於性聯重症聯合免疫缺陷病(XSCID),但為常染色體隱性遺傳［25］。急性白血病患者外周血細胞中,STAT相關性轉錄因子組成性活化,可能是白血病的病因之一［28］。此外，可能還存在機理更複雜的相關疾病,有待進一步研究。
總之,對JAK-STAT途徑的研究在解答以往疑問的同時,引出了許多更為複雜的問題。此領域的研究,尤其是在JAK-STAT與其它信號傳導途徑之間的關係方面,必將有助於更全面深入地理解信號傳導這一重大的生命之謎。
