JAK_STAT信號(hào)通路研究進(jìn)展

1、彭英才教授,博士生導(dǎo)師,河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院,保定071002趙新為副教授,日本東京理科大學(xué)理學(xué)部,河北大學(xué)客座教授劉明研究員,中國(guó)科學(xué)院微電子研究中心,北京1000291福間雅夫.應(yīng)用物理(日文,2002;71:9642Ono Y.,et al.IEEE Trans.Electron Devices,2000;47:1473W ang T.H.,et al.Appl.Phys.Lett.,2001;78:21604Dutta A.,et al.Jpn.J.Appl.Phys.,2000;39:46475李國(guó)華.物理,2001;30:4366裕之.電子通信學(xué)會(huì)志(日文,1997;80:71

2、77Peng Y.C.,et al.Semiconductor Photonics and Technology,2000;6:129 8W ang Z.G.,et al.Science in China,2000;43:8619Hu ffaker P.L.,et al.Appl.Phys.Lett.,1997;70:178110王占國(guó).世界科技研究與發(fā)展,2000;22:111徐少輝等.物理,2002;31:55812K ane B.E.Nature,1998;393:13313Smet J.H.,et al.Nature,2002;415:281Several Active Fields

3、in the N anometer Q uantum De2 vicesPeng Y ing2cai,Zhao X in2wei,Liu MingPro fessor,Supervisor o f Ph.D.Candidates,College o f Electronic and In2 formational Engineering,H ebei Univer sity,Baoding071002Associate Pro fessor,Department o f Physics,Faculty o f Science,Science Univer sity o f Tokyo.Visi

4、ting Pro fessor o f H ebei Univer sity,Research Pro fessor,Microelectronic Center,Chinese Academy o f Sciences, Beijing,100029key w ordsnanometer sem iconductor structures,quantum mechanics effect, nanometer quantum devices,new technical revelutionJAK-ST AT信號(hào)通路研究進(jìn)展陳曉萍徐飛(浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院關(guān)鍵詞受體JAKST AT信號(hào)通路JA

5、K(Janus激酶-STAT(信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子信號(hào)通路是與細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化關(guān)系十分密切的一條細(xì)胞信號(hào)通路,近年來(lái)發(fā)展迅速.本文對(duì)通路中細(xì)胞表面受體、JAK、STAT等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分子結(jié)構(gòu)、相互作用及調(diào)控因素進(jìn)行了總結(jié).細(xì)胞外刺激可通過(guò)多條信號(hào)通路傳遞到細(xì)胞內(nèi),調(diào)控相關(guān)基因,引導(dǎo)細(xì)胞對(duì)環(huán)境的協(xié)調(diào)與適應(yīng).JAK-ST AT 信號(hào)通路是與細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化關(guān)系十分密切的一條信號(hào)通路,近年來(lái)研究十分活躍,尤其在造血過(guò)程中的變化已有深入研究1,2.現(xiàn)將有關(guān)進(jìn)展綜述如下.一、受體家族JAK-ST AT信號(hào)通路的受體是一大類(lèi)異質(zhì)性混合成分,包括造血系統(tǒng)中調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖與分化的局部介質(zhì)(細(xì)胞因子的

6、受體,某些激素如生長(zhǎng)激素和催乳素的受體,以及T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞抗原特異性受體.其共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是本身不具有酶活性,但胞內(nèi)段具有酪氨酸蛋白激酶的結(jié)合位點(diǎn).受體與配體結(jié)合后,通過(guò)與之相聯(lián)系的酪氨酸蛋白激酶的活化,磷酸化各種靶蛋白的酪氨酸殘基來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo).根據(jù)受體的結(jié)構(gòu)差異,通常分成兩大類(lèi)3.(1型受體家族型受體占絕大部分,包括生長(zhǎng)激素、催乳素、多種白介素、集落生長(zhǎng)因子等多種活性因子的受體.其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為受體的胞外段有四個(gè)半胱氨酸殘基和一個(gè)與細(xì)胞因子結(jié)合有關(guān)的WSXWS J序列,胞內(nèi)區(qū)無(wú)激酶或催化結(jié)構(gòu)域.典型的第二信使無(wú)法與其作用.細(xì)胞因子受體信號(hào)經(jīng)一組受體偶聯(lián)的酪氨酸蛋白激酶(PTK s傳遞,

7、即JAK家族.在大多數(shù)受體胞內(nèi)段的鄰膜結(jié)構(gòu)域處有一個(gè)八個(gè)氨基酸的富含脯氨酸的序列(PRM,也稱(chēng)為Box1. PRM序列對(duì)信號(hào)傳遞有決定性作用,它涉及到JAK和受體之間的相互作用.另外,受體結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)保守的Box2序列.型受體又可以分為幾個(gè)亞類(lèi)(圖1:a.I L-2受體亞族.包括I L-2、I L-15、I L-7、I L-9、I L-4、I L-4/I L-13等因子的受體.b.I L-3受體亞族.包括I L-3、I L-5、G M-CSF等的受體.c.I L-6受體亞族.該亞族包括I L-6、I L-11、LIF、CNTF、OS M、CT-1等因子的受體.d.PR L受體亞族.包括PR

8、L、G H、E po、m pl等的受體.941 附圖主要的I 型受體結(jié)構(gòu)3e.G-CSF 受體亞族.目前僅有G-CSF 受體.(2型受體家族主要有干擾素/、干擾素、白介素-10等的受體,其特點(diǎn)是胞外羧基和氨基端各有數(shù)對(duì)特征性的半胱氨酸對(duì),它也有Box1和Box2基序.二、JAK 家族JAK (Janus kinase 是一種蛋白酪氨酸激酶,迄今為止共發(fā)現(xiàn)有4個(gè)家族成員,即JAK 1、JAK 2、JAK 3和JAK 4,整個(gè)分子可分為7個(gè)結(jié)構(gòu)域4:(1J H1,位于羧基末端,具有激酶催化功能.其中有高度保守的八殘基特征性序列FWF.(2J H2,與激酶功能相關(guān),但不具有直接的催化活性.(3J H

9、3-J H7,功能不明確,可能與細(xì)胞因子受體的結(jié)合有關(guān).JAK 1、JAK 2、Jyk2廣泛分布于多種組織細(xì)胞,而JAK 3僅見(jiàn)于白細(xì)胞中5.三、ST ATs 家族ST ATs (signal transducer and activator of transcription ,是JAK s 的直接底物,能將信號(hào)直接傳遞到核內(nèi),調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá).共包括6個(gè)家族成員,即ST AT 16.ST AT 蛋白長(zhǎng)約800個(gè)氨基酸,分子量8997kDa ,其編碼基因在染色體上緊密連鎖6.結(jié)構(gòu)上ST ATs 具有SH2和SH3功能區(qū),SH2序列高度保守,位于第600700位氨基酸之間,與ST ATs 的激

10、活有關(guān).SH3則位于第500600位氨基酸之間,序列保守性較SH2差,能結(jié)合富含脯氨酸的序列,功能尚不明確、此外,ST ATs 還具有DNA 結(jié)合區(qū),不同的ST ATs 常有共同的DNA 結(jié)合基序,但最佳結(jié)合點(diǎn)有差異7.四、JAK -ST AT 的信號(hào)傳遞過(guò)程JAK-ST AT 信號(hào)傳遞的基本過(guò)程可概括為:細(xì)胞因子與其相應(yīng)配體結(jié)合;受體和JAK s 發(fā)生聚集,鄰近的JAK s 相互磷酸化而被活化;JAK s 的J H1結(jié)構(gòu)域催化ST ATs 上相應(yīng)部位的酪氨酸殘基磷酸化,同時(shí)ST ATs 的SH2功能區(qū)與受體中磷酸化的酪氨酸殘基作用而使ST ATs 活化;ST ATs 進(jìn)入核內(nèi)同其他一些轉(zhuǎn)錄因

11、子相互作用從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄8.不同的細(xì)胞因子其應(yīng)答的具體的JAK s -ST ATs 途徑各有不同.在I 型細(xì)胞因子受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域中,JAK 1和JAK 2定位于一個(gè)富含絲氨酸的近膜區(qū)域,包括富含051脯氨酸的Box1位點(diǎn).此外,根據(jù)受體結(jié)構(gòu)的不同,還可能同羧基端的V-Box、Box2或X-Box位點(diǎn)相作用.JAK1在I型受體復(fù)合物中僅起一種輔助作用,它能同G H,I L -2受體的鏈,gp130鏈和gp130的同源物-G-CSF受體相作用.JAK2則能與同聚化的受體鏈,I L-3受體亞族中的c鏈,I L-6/CNTF受體亞族的gp130亞基結(jié)合,并導(dǎo)致ST AT5的磷酸化.值得注意的是,J

12、AK2催化ST AT5并不要求ST AT5先與受體的特定位點(diǎn)結(jié)合,那樣的結(jié)合僅增加FAK2和ST AT5之間的作用幾率.JAK3主要同I L -2受體亞族的多鏈?zhǔn)荏w作用從而引起ST AT5的磷酸化,并且優(yōu)先同I L-2受體亞族的c相連.T yk2對(duì)型受體的功能有決定作用,其中牽涉到IFN/引起的ST AT5的磷酸化9,10.結(jié)合細(xì)胞因子后受體亞基發(fā)生二聚化或多聚化11,并影響與之偶聯(lián)的JAK s,激活JAK s的自磷酸化.這樣, JAK s成為了一個(gè)相互轉(zhuǎn)移磷酸基過(guò)程中的底物,它們的催化功能因?yàn)镴 H1結(jié)構(gòu)域活化環(huán)上的酪氨酸殘基的磷酸化而被激活.在免疫斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中酪氨酸殘基的磷酸化可以在配體結(jié)合

13、后的幾分鐘內(nèi)被檢測(cè)出.進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明,JAK的相互磷酸化與ST AT5的功能有關(guān).在JAK2-G yrB蛋白轉(zhuǎn)染的細(xì)胞中,JAK的磷酸化伴隨著該蛋白的二聚化,其氨基端結(jié)構(gòu)對(duì)ST AT5的磷酸化是必需的.在鼠類(lèi)脂肪細(xì)胞或T細(xì)胞中T NF或PR L對(duì)JAK自激活的影響與二價(jià)染色體受體抗體和受體之間的結(jié)合類(lèi)似.對(duì)E po-JAK嵌合體的研究同樣證明,JAK2受體能獨(dú)立地磷酸化ST AT5.對(duì)于在I型細(xì)胞因子受體中的同源二聚體引起的ST AT5的磷酸化來(lái)說(shuō),典型的JAK自激活只需JAK2的相互活化,但在多個(gè)受體組成的多鏈?zhǔn)荏w中可能就較復(fù)雜,因?yàn)槎噫準(zhǔn)荏w和I L-5受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)需要多種JAK之間的相

14、互配合.如在多鏈?zhǔn)荏w引起的ST ATs的磷酸化,就需要兩種JAK s的協(xié)同作用.這不僅需要JAK1,大多數(shù)涉及ST AT5的細(xì)胞因子信號(hào)的傳遞也不能缺乏JAK2或JAK3.在I L-2受體偶聯(lián)的JAK1的磷酸化中就需要JAK3協(xié)助,而I L-5受體復(fù)合物中磷酸化的JAK1與c 的偶聯(lián)還依賴(lài)于磷酸化I L-5受體的結(jié)合.五、ST AT轉(zhuǎn)移到核內(nèi)的機(jī)制及基因轉(zhuǎn)錄的活化12活化的ST AT需要進(jìn)入核內(nèi)進(jìn)一步作用,此過(guò)程與ST AT的二聚化,以及ST AT上絲氨酸的狀態(tài)有關(guān).由于ST AT二聚體是一種相對(duì)分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)(84-113ku,進(jìn)入核內(nèi)應(yīng)該是經(jīng)過(guò)了核孔復(fù)合體(NPC的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn).John

15、son提出了一個(gè)ST AT核輸入的作用模式, ST AT通過(guò)im portin/Ran系統(tǒng)進(jìn)入核內(nèi).Im portin由、兩個(gè)亞單位組成,亞單位首先識(shí)別要輸入蛋白質(zhì)序列上的核定位信號(hào)(N LS,與之形成復(fù)合物.復(fù)合物與亞單位結(jié)合,進(jìn)而被錨定于NPC.最后,在G TP結(jié)合蛋白“Ran “和其他輔助因子的幫助下進(jìn)入核內(nèi).但目前人們尚未在ST AT上發(fā)現(xiàn)N LS,推測(cè)ST AT與im portin的結(jié)合可能需要配體或受體作為伴隨分子的幫助.在G H引起的信號(hào)通路中,發(fā)現(xiàn)G H受體具有N LS,即-VRVRSK QRN-序列, ST AT有可能是在與G H/G HR/JAK2形成復(fù)合物后,即利用了G

16、H受體上的N LS后,被im portin識(shí)別、轉(zhuǎn)運(yùn)至核內(nèi).對(duì)ST AT1的67kD中心片段與DNA復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的研究表明,ST AT1是通過(guò)一個(gè)免疫球蛋白樣折疊結(jié)構(gòu)與DNA結(jié)合的,ST AT氨基端123個(gè)氨基酸的晶體結(jié)構(gòu)表明此區(qū)域是由8個(gè)螺旋組成的一個(gè)鉤子樣的結(jié)構(gòu),與影響轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)相互作用,使ST AT分子形成多聚體并同DNA共價(jià)結(jié)合.但總的來(lái)說(shuō),ST AT進(jìn)入核內(nèi)后活化基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制尚不是很明確.六、JAK-ST AT信號(hào)通路的調(diào)節(jié)及其關(guān)閉機(jī)制像其他任何信號(hào)通路一樣,JAK-ST AT信號(hào)通路也有其自身的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,以免信號(hào)通路持續(xù)開(kāi)放造成細(xì)胞代謝失常和生理功能紊亂.目前對(duì)確切的調(diào)

17、控機(jī)制尚不十分清楚.一種可能的機(jī)制是通過(guò)酪氨酸PTP酶的作用使JAK失活而發(fā)揮作用.如SHP-1,該分子特異性地作用于血紅蛋白受體而抑制配體刺激的酪氨酸磷酸化,并引起JAK2的去磷酸化.也有報(bào)道認(rèn)為是先由TG F -活化蛋白酪氨酸PTP酶13.另一個(gè)重要的抑制信號(hào)是SOCS家族(suppressor of cytokine signaling14,包括CIS(一個(gè)編碼含SH2結(jié)構(gòu)域蛋白的早期應(yīng)答基因和其他12個(gè)共享C端SOCS box結(jié)構(gòu)域的蛋白.已確認(rèn)這些蛋白有三種不同的調(diào)節(jié)機(jī)制:通過(guò)對(duì)cDNA編碼蛋白阻隔,阻斷信號(hào)傳遞,如在I L-6;雙雜交催化,蛋白質(zhì)與JAK2的激酶結(jié)構(gòu)域相互作用;像抗

18、體一樣與ST AT分子的SH2結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合.這樣,當(dāng)細(xì)胞因子激活JAK s后,又誘導(dǎo)了SOCS基因的表達(dá),再通過(guò)SOCS蛋白引起JAK-ST AT下調(diào),抑制其生物應(yīng)答.實(shí)驗(yàn)證實(shí),SOCS1(也稱(chēng)為JAB或SSI-1在I L-6刺激20min后被誘導(dǎo)產(chǎn)生,并通過(guò)其與JAK的SH2結(jié)構(gòu)域的相互作用而下調(diào)I L-6引起的細(xì)胞應(yīng)答,隨后SOCS1的表達(dá)又在4h內(nèi)恢復(fù)到基礎(chǔ)水平.SOCS基因的轉(zhuǎn)錄激活至少部分是由于ST AT蛋白的參與.ST AT5和151ST AT3參與的CIS的表達(dá)對(duì)SOCS1的表達(dá)是極其重要的.SOCS1減弱了包括LIF、oncostain-M、IFN、凝血因子、G H在內(nèi)的一

19、系列細(xì)胞因子的生物應(yīng)答.此外,也降低了JAK s和ST ATs的磷酸化.因此,SOCS可能是一類(lèi)功能更一般的信號(hào)抑制調(diào)控因子.細(xì)胞因子誘導(dǎo)產(chǎn)生這類(lèi)蛋白,這些蛋白下調(diào)細(xì)胞因子的信號(hào),雙方就像一個(gè)經(jīng)典的反饋抑制鏈.七、其他涉及ST AT的通路15JAK s并非是惟一的一種能活化ST ATs的酪氨酸激酶.PTK s,如EG F受體、PDG F受體等本身就具有酪氨酸激酶的活性,因此它們能夠直接將ST ATs磷酸化,而無(wú)須JAK s的參與.甚至在無(wú)受體參與的情況下,Src家族的一些蛋白質(zhì),如Src、Lyn、Lck等可同細(xì)胞因子的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域相作用,其SH2結(jié)構(gòu)域可與偶聯(lián)后的JAK發(fā)生蛋白-蛋白相互作用.在

20、鼠類(lèi)骨髓細(xì)胞中,Lyn的SH2結(jié)構(gòu)域在E po誘導(dǎo)的E po受體的磷酸化時(shí)可結(jié)合并穩(wěn)定JAK2的磷酸化狀態(tài).不久前發(fā)現(xiàn),在使用克隆型抗體后,在輔助T細(xì)胞(Th細(xì)胞中,一個(gè)T細(xì)胞受體復(fù)合物的刺激誘導(dǎo)了ST AT5的磷酸化.該磷酸化過(guò)程受Lck的影響.該新發(fā)現(xiàn)似乎能夠解釋以前的一個(gè)發(fā)現(xiàn):ST AT5的磷酸化可以因抗原受體和有絲分裂抗Ig-M抗體的串活所誘導(dǎo).T ec酪氨酸激酶家族的成員在造血細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中有重要的地位.該類(lèi)激酶包括一個(gè)plextrin同源結(jié)構(gòu)域和一個(gè)SH2結(jié)構(gòu)域.它們可以被gp130或I L-3R或c-K it所活化.T ec家族成員Bmx被轉(zhuǎn)染進(jìn)哺乳動(dòng)物COS-7細(xì)胞中后能誘導(dǎo)

21、ST AT1、ST AT3、ST AT5的磷酸化,進(jìn)而與DNA結(jié)合.此外,一些嵌合體TE L/JAK2等也可強(qiáng)烈地活化ST AT5并引起淋巴細(xì)胞的增殖.八、結(jié)束語(yǔ)JAK-ST AT信號(hào)通路在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖和分化中具有重要意義,對(duì)具體的信號(hào)傳遞過(guò)程及調(diào)控環(huán)節(jié)的詳盡研究,將有助于我們深入理解細(xì)胞間相互作用以及人體中正常的生理過(guò)程和某些疾病的發(fā)生機(jī)制.(2002年10月5日收到陳曉萍博士生,講師,浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,杭州310029徐飛本科生,浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,杭州3100291Darnell Jr.J.E.ST ATs and gene regulation.Science,1997;27

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