JAK-STAT信号通路

JAK-STAT信号通路JAK-STAT信号通路中的组分JAK-STAT信号转导途径JAK-STAT信号通路与疾病JAK-STAT信号通路和药物靶点1.JAK-STAT信号通路中的组分JAK-STAT信号通路是近年发现的一条由细胞因子刺激的信号转导通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。此信号通路的传递过程相对简单，它主要由三个成分组成，即酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸激酶JAK和转录因子STAT。1.1酪氨酸激酶相关受体（tyrosinekinaseassociatedreceptor）许多细胞因子和生长因子通过JAK-STAT信号通路来传导信号，这包括白介素27（IL-27）、生长激素（GH）、表皮生长因子(EGF)、血小板衍生因子(PDGF)以及干扰素(IFN)等等。这些细胞因子和生长因子在细胞膜上有相应的受体。这些受体从属于细胞因子受体超家族，该家族可以分为两类：Ⅰ型胞外部分含有4个保守的半胱氨酸和一个位于C端的WSXWS单元。Ⅱ型胞外部分N端、C端各有数对半胱氨酸。这些受体的共同特点是受体本身不具有激酶活性，但胞内段具有酪氨酸激酶JAK的结合位点，受体与配体结合后，通过与之结合的JAK的活化，来磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基以实现信号从胞外到胞内的传递。细胞因子受体的结构和功能研究结果表明受体之间无明显的同源性，只在胞浆近膜区有一段同源区，该区域是其与JAK激酶结合的功能区段。这段同源区通常包括两个在各种细胞因子受体中都高度保守的结构，其中一个是富含脯氨酸的“box1”,另一个是在受体靠近细胞膜处的“box2”,它们是决定细胞因子受体与JAK激酶之间相互偶联的最重要结构。受体的二聚化可以是同源的也可以是异源的。在发生同源受体二聚化时，只有JAK2被激活；相反，由不同亚基组成的异源受体二聚化，却可以激活多种JAK。一旦被激活，JAK便磷酸化受体的亚基以及其他底物。1.2酪氨酸激酶JAK(Januskinase）很多酪氨酸激酶都是细胞膜受体，他们统称为酪氨酸激酶受体（receptortyrosinekinase,RTK），而JAK却是一类非跨膜型的酪氨酸激酶，只有催化结构域而没有SH2。JAK既能磷酸化与其相结合的细胞因子受体，又能磷酸化多个含特定SH2结构域的信号分子。JAK蛋白家族共包括4个成员：JAK1、JAK2、JAK3以及Tyk2,它们在结构上有7个同源结构域（JAKhomologydomain,JH），其中JH1结构域为激酶区、JH2结构域是“假”激酶区、JH6和JH7是受体结合区域。1.3转录因子STAT(signaltransducerandactivatoroftranscription)STAT被称为“信号转导子和转录激活子”，它在信号转导和转录激活上发挥了关键性的作用。自1991年第一个STAT蛋白Stat1被纯化出来以后，STAT蛋白家族的其他成员也相继被克隆出来，目前已发现STAT家族有6个成员，即STAT1-STAT6。它的同源类似物在其他低等生物中也被鉴定出来，这些STAT可能和个体发育过程中的信号相关。哺乳动物的Stat16分子分别含734851个氨基酸不等，他们在结构上都有共同的特征，即所有的STAT蛋白分子都是由7个不同的功能结构域所组成：氨基端结构域螺旋结构域DNA结合结构域连接区SH3SH2转录激活区TyrSer1、氨基端结构域：包括1~125位氨基酸残基，是STAT蛋白家族中最高度保守性的结构域之一，它协同DNA的结合。STAT蛋白的二聚体通过氨基端结构域形成四聚体或高度有序的多聚体，以增强STAT蛋白和所调控基因的启动子的结合能力。２、螺旋结构域：位于135~315位氨基酸残基之间，为一段由4个螺旋所组成的结构域，主要负责STAT蛋白与其它蛋白的相互作用。3、DNA结合结构域：位于320~490位氨基酸残基之间，含有几个β-折叠结构，它的主要功能是与靶基因的启动子结合，启动靶基因的转录。不同的STAT蛋白具有不同的DNA结合特异性。4、连接结构域：位于490~580位氨基酸之间，连接DNA结合结构域和SH2结构域，其序列高度保守，可能与转录调节有关。5、SH2结构域：位于585~685位氨基酸残基之间，是STAT分子之间最保守的结构域。它是STAT分子上最重要的功能区段，首先，它决定了STAT分子和其相应的受体相互作用的特异性；其次，它介导了STAT和活化的JAK之间的相互作用；第三，它介导了STAT分子的二聚化，一个STAT蛋白中的SH2结构域与另一个STAT蛋白中磷酸化的酪氨酸相互作用形成二聚体，从而导致STAT蛋白的入核。６、SH３结构域：位于500~600位氨基酸之间，序列保守性较SH2差，能结合富含脯氨酸的序列。目前尚未发现SH3结构域内有何重要的氨基酸。7.酪氨酸激活基序：这个酪氨酸和其C端的氨基酸序列对STAT的功能十分重要，它们不仅可以阻止与自身SH2结构域的结合，还决定了STAT分子和其相应的受体相互作用的特异性，以及STAT分子之间二聚化的特异性。8.转录激活结构域（TAD）：它很可能受到翻译后调节，如丝氨酸磷酸化。在这个功能域中有一个保守的丝氨酸残基，该氨基酸的磷酸化与否直接影响到STAT蛋白的转录活性。2、JAK-STAT信号通路二聚化受体激活JAK；JAK将STAT磷酸化；STAT形成二聚体，暴露出入核信号；STAT进入核内，调节基因表达。配体与受体结合导致受体二聚化；注意：一种JAK激酶可以参与多种细胞因子的信号转导过程，一种细胞因子的信号通路也可以激活多个JAK激酶，但细胞因子对激活的STAT分子却具有一定的选择性。例如IL-4激活STAT6，而IL-12却特异性激活STAT4.3、JAK-STAT信号通路与疾病到目前为止，只在人类肿瘤中发现了STAT信号的异常活化，还没有发现人类的其他疾病和STAT有直接联系。但是通过对基因敲除小鼠表型的研究，可以判断出STAT在某些疾病的发生过程中可能存在关键的调控作用。STAT与肿瘤STAT参与调控细胞的生长、分化和凋亡。在正常生理状态下，STAT的激活是短暂而且受严格调控的，然而在许多人类的肿瘤中都发现STAT分子的持续激活。几乎在所有的头颈部肿瘤中都发现，Stat3异常的活化。在检查的多种骨髓瘤中，Stat3也持续处于激活状态。到目前为止，尚未发现Stat3基因水平上的突变，而一般都是信号分子的调节失控或者负调控分子的突变或缺失造成其功能的失调。STAT与心血管疾病JAK-STAT信号通路介导心肌细胞的生长、存活和凋亡，并参与血管生成的调节，在心脏疾病的发生机制中发挥重要作用。如压力负荷导致的心肌肥大、心力衰竭、缺血预处理诱导的心肌保护，以及缺血一再灌注引起的心功能障碍，都与这一信号通路密切相关。近年来的研究显示，JAK-STAT信号通路在缺血预处理诱发的心肌细胞保护机制中也发挥重要作用。心肌缺血预处理快速诱导JAK2和Stat3磷酸化，预处理的心脏缺血30min再灌注2h后仍能检测到JAK2和Stat3的激活。另有研究表明，心肌特异性大量表达Stat3基因的转基因小鼠能够耐受阿霉素引起的心肌损伤，直接说明Stat3信号通路介导了心肌内源性细胞保护作用。STAT与白血病白血病是造血组织的恶性疾病，又称“血癌”。在白血病细胞中普遍存在着JAK-STAT信号通路的持续激活，因此，STAT蛋白也就成为重要检测的指标之一。STAT分子的过量表达往往出现在很多恶性增殖性疾病中，而造血系统的肿瘤中STAT家族被活化的种类最多，例如STAT1、STAT3和STAT5就是白血病中最常见的持续激活的信号蛋白。不同类型的白血病细胞可以表现为一种或多种STAT蛋白的异常激活，例如在淋巴细胞白血病和单核粒细胞白血病中，常见的是STAT5持续激活；而骨髓系白血病细胞则以STAT3持续激活为主。激酶JAK对整个信号通路激活起着关键作用。迄今，我们已经在人体白血病细胞中发现了很多JAK基因的点突变，其中的一些点突变造成激酶JAK持续激活STAT蛋白。最经典的例子就是JAK2V617F突变（蛋白JAK2第617位的缬氨酸突变成苯丙氨酸），造成JAK-STAT信号通路的异常激活。曾有一份针对白血病患者的统计结果显示，222例急性骨髓系白血病患者中有4例出现JAKV617F突变，116例慢性骨髓系白血病患者中有9例出现JAKV617F突变。此外，JAK蛋白的其它突变形式也与很多白血病类型紧密相关。4.JAK-STAT信号通路与药物靶点近年来，人们开始尝试使用一些特异性分子药物来治疗癌症。相对于化疗而言，这种新方法能够很好地区分正常细胞和肿瘤细胞，因而能更特异地杀死肿瘤细胞，而不损伤正常细胞。在这些试验中，一些分子药物开始显现出了临床应用的前景。这也表明，通过干扰肿瘤生长和存活中所依赖的信号通路，可以起到治疗癌症的效果。c-src基因是第一个被发现的原癌基因，它的产物是一个60kDa的磷酸化蛋白。随后不久，另外2个实验室也证明了Src蛋白是一种激酶。在目前已知的50多种癌基因中，大部分都是蛋白激酶。在细胞的正常生长和增殖中，癌基因被一些信号通路抑制。但当癌基因发生突变或者被异常激活后，细胞的异常增殖将会导致肿瘤发生。针对细胞信号通路中的关键蛋白作为药物靶点，我们可以设计出相应的药物用于癌症治疗。酪氨酸激酶受体（receptortyrosinekinases,RTKs）是最早一批被发现与肿瘤发生相关的激酶。通过与生长因子配体相结合，酪氨酸激酶通过形成同源二聚体或异源二聚体来激活它们胞内的激酶结构域，随后激活下游的信号通路级联反应，刺激细胞增殖和生长。针对RTKs作为药物靶点，可以设计出用于治疗癌症的药物，这些药物包括针对RTK配体或者受体本身的抗体，或是针对RTKs激酶胞内结构域的小分子化学抑制剂。血管内皮生长因子受体（VEGFR）家族是目前研究最多的酪氨酸激酶。根据蛋白激酶的结构特点，我们可以设计出抑制激酶活性的药物靶点。蛋白激酶通常具有一个ATP结合活性位点，这个位点通常也是设计小分子抑制剂的靶位点。很多激酶抑制剂就是通过与细胞质中的ATP竞争这个ATP结合位点，以达到抑制激酶活性的效果。大多数激酶的ATP结合位点非常保守，筛选出的这类小分子抑制剂往往具有广泛的激酶抑制效果。对p38MAPK的研究结果证明，如果选择靠近ATP结合位点的氨基酸残基作为药物靶点，就能够实现很高的特异性，同时也具有抑制ATP结合的效果。即使是针对同源性非常高的激酶，通过这种策略筛选得到的抑制剂也具有很好的特异性。随着越来越多激酶晶体结构的获得，这种具有高度特异性的小分子抑制剂也被广泛开发利用到癌症治疗中。除了小分子抑制剂以外，针对单一靶点的特异性抗体，也可作为癌症的治疗药物。第一个获得美国FDA批准的是治疗乳腺癌的特效药物Herceptin，该药物的主要成分是抗HER2单克隆抗体，它的作用靶点是乳腺癌细胞膜上的表皮生长因子受体。5、展望尽管大量证据显示JAK-STAT信号通路的持续激活与疾病之间有着密切的关系，但疾病的产生是多个基因异常的结果，发病过程涉及多个步骤。因此，我们需要进一步研究以探究JAK-STAT信号通路与疾病形成中的详细机制。另外，既然疾病的发生与JAK-STAT的活化联系密切，那么JAK和STAT等蛋白很可能是治疗这些疾病最好的药物靶点，针对这些蛋白设计特异性抑制剂无疑会为疾病的治疗带来新的希望。我们相信，对癌症信号通路和药物靶点的深入研究，将为人类最终攻克癌症开辟了广阔的前景。.