STAT1信号通路概述

信号通路概述#胡思哲，蒋海，刘鸿，齐宏妍，邵吉民**基金项目：国家教育部高等学校博士学科点专项科研基金（No．J20100041）和浙江省自然科学基金（No．LY13H160001）资助作者简介：胡思哲（1989-），男，博士研究生，主要研究方向：肿瘤病理生理学通信联系人：邵吉民（1962-），男，教授，博士生导师，主要研究方向：肿瘤病理生理学.E-mail:[e-mail]（浙江大学医学院病理学与病理生理学系，杭州310058）5摘要：信号转导与转录激活子（STAT）家族包括7个成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B以及STAT6。STAT1主要受IFN的激活，调节许多参与细胞生长、分化、凋亡及免疫的基因的表达。细胞因子可促进STAT1酪氨酸及丝氨酸位点的磷酸化，入核后形成同/异二聚体激活下游基因的表达。STAT1的失活机制使得其调控下游基因有严格的时间限制，赖氨酸乙酰化被认为是终止STAT1的重要信号。本文就过去20多年对STAT110的研究进展进行概述，着重讲述STAT1信号的激活与终止及其生物学功能等。关键词：病理学与病理生理学；STAT1；激活；失活；免疫；癌症中图分类号：R363.2+1SignalTransductionPathwayofSTAT115HuSizhe,JiangHai,LiuHong,QiHongyan,ShaoJimin(DepartmentofPathologyandPathophysiology,ZhejiangUniversitySchoolofMedicine,Hangzhou310058)Abstract:Signaltransducerandactivatoroftranscription(STAT)familyconsistofsevenmembers:STAT1,STAT2,STAT3,STAT4,STAT5A,STAT5BandSTAT6.STAT1is20preferentiallyactivatedbyinterferon(IFN)andtherebyregulatesthegeneexpressionsinvolvedincellgrowth,differentiation,apoptosisandimmuneresponse.Cytokine-inducedtyrosineandserinephosphorylationfacilitateSTAT1homo/hetero-dimerization,nucleartranslocationandtransactivationofdownstreamgeneexpression.ThetranscriptionofSTAT1-targetedgenesisstrictlyregulatedinatimelimitedmanner,whiletheinactivationofSTAT1islikelymediatedby25acetylation.HerewesummarizedtheresearchprogressofSTAT1signalingactivation/terminationandtheirbiologicalfunctionsinthepast20years.Keywords:pathologyandpathophysiology;STAT1;activation;inactivation;immunity;cancer0引言30信号转导与转录激活子(STAT)通路在所有脊椎动物和一些早期的后生动物中是高度保守的，它能够通过简单而直接的方式把许多细胞因子的信号从细胞膜受体传导到细胞核内，该过程可以分为三个基本阶段：受体的激活、信号转导及靶基因表达。细胞因子可以导致其同源受体被Janus激酶(JAK)磷酸化、进而为细胞浆内的STAT提供对接位点；STAT蛋白被JAK磷酸化后形成同源/异源二聚体并从膜受体转运到细胞核内；STAT形成二聚体或更复35杂的复合物结合到靶基因调控区域的保守DNA序列上、调控转录的起始和增强[1,2]。在哺乳动物细胞内STAT家族包括7个成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B以及STAT6，它们调控着细胞生长、分化、凋亡、胚胎发育、器官发生、免疫应答及体内平衡等多种基本生物学进程[3,4]。表达后可进行可变剪接从而形成两种蛋白形式：STAT1α和STAT1β，大小分别为91、84kDa[5]。STAT1α具有完整的转录激活结构域（TAD），此区域中含有两个磷酸化位点，Y701和S727。而STAT1β稍短，缺失了大部分转录激活区，仅包含Y701一个磷酸化位点。但两者其余部分结构完全相同，都包含一个SH2区、DNA结合区（DBD）和N端结构域。晶体衍射结构分析表明STAT1通过磷酸化的Y701位点和SH2区形成同二聚体（见图1）。45图1STAT1一级（A）及空间（B）结构示意图[6]Fig.1TheprimaryandspatialstructureofSTAT12STAT1信号的激活与终止502.1STAT1的激活干扰素（IFN）是STAT1的重要激活物。在IFNγ刺激后，其原本分开的两个受体亚基相互聚集。结合在受体上的两个JAK家族成员——JAK1和JAK2分别被激活，并与干扰素受体共同促进STAT1的招募。STAT1通过SH2区与之结合，并在Y701位点发生磷酸化[7-9]（见图2A）。而IFNα介导的STAT1激活有所不同。在没有IFNα刺激时，干扰素α受体55其中一个亚基与TYK2和STAT2形成复合体，而另一个受体亚基与JAK1结合。在IFNα刺激后，两个亚基分别被磷酸化激活，同时STAT2的Y690位点被磷酸化，与磷酸化STAT1中国科技论文在线形成异二聚体，之后从干扰素α受体上释放[10,11]（见图2B）。此外，许多白介素如IL2和IL6，生长因子如EGF和PDGF，以及其它一些细胞因子如血管紧张素Ⅱ、HGF和TNF也可以激活STAT1，但是这时STAT1可能并不入核与DNA结合，表明STAT1还可以在胞质60内发挥其它作用[12,13]。图2IFNγ(A)和IFNα(B)激活STAT1示意图[14]Fig.2SchematicdiagramsofSTAT1activationbyIFNγ(A)andIFNα(B)652.2Y701、S727及其它位点的磷酸化在IFNα或IFNγ刺激后，均可见STAT1的Y701位点的磷酸化，这对于形成STAT1同二聚体或STAT1/2异二聚体是必须的[15]。但如果将L706位突变成S，则在IFNγ刺激后Y701位不能发生磷酸化，虽然如此却不影响STAT1二聚化，可能是通过N端区域相互作用[16]。位点的磷酸化，如受IFNγ激活的ERK1/2、p38α、CaMKⅡ以及PKCδ，70但是导致S727位点磷酸化的机制还有待阐明[17-20]。有趣的是一种免疫抑制剂-腺苷可以抑制S727位点的磷酸化[21]。尽管S727位点的磷酸化对于STAT1功能的行使大多数情况下并不是必须的，但对于某些靶基因例如CBP来说则是例外的[22]。有研究表明，该位点突变为亮氨酸后小鼠将极易受细菌感染，IFNγ靶基因的表达水平明显降低[23]。此外还有已发现的、但功能未知的其他磷酸化位点比如S708位点[24]。STAT1的磷酸化位点可能存在优先级，不同75的磷酸化位点可能具有不同的功能，其具体机制还不清楚。2.3STAT1的其它修饰除了磷酸化，近年来发现STAT1还存在乙酰化和甲基化修饰。R31位点可直接被甲基转移酶PRMT1进行甲基化修饰[25]。此外，STAT1某些位点的乙酰化会抑制Y701位点的磷酸化[26,27]。乙酰化发生在赖氨酸残基（K），而将赖氨酸突变为谷氨酰胺（Q）可模拟其乙酰80化，将赖氨酸突变为精氨酸（R）可模拟其非乙酰化。乙酰化是修饰蛋白质并影响其功能的重要方式，通过模拟乙酰化/非乙酰化的分子突变有助于认识乙酰化的生物学作用。在体外/体内用IFN、HDACi、PTP抑制剂、干扰RNA以及定点突变STAT1进行研究发现STAT1存在着乙酰化及磷酸化的转换。快速的IFN处理诱导STAT1激活及核定位、导致其被CBP乙酰化。随后，乙酰化STAT1与高度激活的酪氨酸磷酸酶TCP45作用使其85去磷酸化，从而终止STAT1信号(见图3)。STAT1是一个可被IFN诱导的并被酪氨酸磷酸化和赖氨酸乙酰化同时调控的信号通路分子。K410及K413位点的乙酰化可促进磷酸化酪氨酸位点与TCP45的作用[28]。因此，STAT1在有活性的酪氨酸磷酸化及没活性的赖氨酸乙酰化之间转换。通过这种机制，STAT1可在其靶基因被细胞因子激活后迅速通过CBP介导的乙酰化而终止其作用。尽管组蛋白的乙酰90化被认为是促进转录的发生，可是STAT1的乙酰化却是抑制IFN信号。与此一致的是，不能被乙酰化的STAT1突变体K410R、K413R更容易激活干扰素刺激基因(ISGs)，即使在去乙酰化酶抑制剂存在的情况下，其仍处于激活状态。图3STAT1的激活及失活[28]95Fig.3ActivationandinactivationofSTAT1signaling在胞浆内被激活，却在核内发挥其调控转录的功能。激活的STAT1从胞质转入胞核，一旦完成使命从靶DNA上脱落，就重新回到胞质。有研究表明这一穿梭转运过程是复杂的，涉及一系列主动转运及被动转运过程。1003.1STAT1入核转运在IFNα或IFNγ刺激后，STAT1在数分钟内入核，该过程涉及一系列蛋白复合体，包括与核定位序列（NLS）结合的转运蛋白α/β[29]。STAT1的NLS包含一个富含精氨酸/赖氨酸的区域，表明空间结构对于STAT1的入核转运是重要的。此外，STAT1在核内聚集还需要结构完整的SH2和磷酸化的Y701位点。Y701位点的去磷酸化对于STAT1失活并转运出105核是必须的[30]。然而，在某些因素如血管紧张素Ⅱ、TNF-α或HGF的刺激下，即使是磷酸化的二聚化STAT1也不能进入核内，表明某些形式的STAT1只能在胞质行使特定的功能[31]。胞质内的STAT1功能还能通过类似STAT3的方式与NF-κB结合并激活下游基因的表达[32]。3.2STAT1出核转运110在STAT1的DBD区的392-413位，即核输出序列（NES），该序列可与出核转运蛋白-1结合。通过出核转运蛋白-1介导的出核转运需要与复合物Ran-GTP相互作用[33]。STAT1出核的一个必要条件是其在脱离靶DNA后，Y701位发生去磷酸化。当然，参与STAT1出核转运远不止出核转运蛋白-1这一种蛋白质。4STAT1的转录激活作用1154.1与STAT1结合的靶基因序列STAT家族识别序列即TTN4-6AA，STAT1也不例外。目前为止发现了两个STAT1特异性识别的序列，即干扰素γ活化序列（GAS）和干扰素刺激反应序列（ISRE）。通过ChIP、报告基因等检测手段，可以证明以上两个序列可与STAT1结合。GAS序列往往包含有一段回文序列。某些启动子包含串联的若干个GAS序列，以便其更易与STAT1结合并促进其转120录[34]。而ISRE序列富含仅隔一两个核苷酸的连续的5’-TTTC-3’或其互补序列5’-GAAA-3’。有些基因的启动子甚至同时包含GAS和ISRE序列，如CBP基因。令人费解的