前言

Janus 激酶(JAK)-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子 (STAT) 通路的發(fā)現(xiàn)源于對細胞如何響應(yīng)干擾素(IFN)的研究，提供了一種細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的范例。

美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH)的John J. O’Shea及其團隊是解析JAKs和STATs家族通路在免疫調(diào)節(jié)中作用的領(lǐng)先者，他們綜述的JAK-STAT通路研究文章于2022年10月發(fā)表在CELL期刊上，概述了JAK-STAT通路的主要里程碑式事件，并討論了目前的重大挑戰(zhàn)和未來機遇。

作者 | Ting

01背景介紹 

Janus 激酶(JAK) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子 (STAT) 通路的分子成分在30 年前被確定。圖1的簡短歷史說明了這一發(fā)現(xiàn)使我們了解細胞外多肽驅(qū)動生理和病理反應(yīng)的機制，包括細胞和生物體的發(fā)育、增殖、代謝、感染、炎癥和癌癥。  

圖1  JAK-STAT 時間線（自 1984 年以來JAK-STAT通路的各種里程碑）

02信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的新范例

干擾素（IFN）于1957年被發(fā)現(xiàn)，細胞如何響應(yīng)IFN產(chǎn)生抗病毒機制的問題引出了JAK-STAT通路的發(fā)現(xiàn)。  

▲從IFN處理誘導(dǎo)的mRNA中產(chǎn)生cDNA文庫的能力允許發(fā)現(xiàn)幾個IFN誘導(dǎo)的基因，從而確定了控制IFN誘導(dǎo)基因表達的啟動子和調(diào)控元件。

▲Stark和Kerr實驗室使用IFN誘導(dǎo)基因的啟動子，經(jīng)過誘變，分離出抗性細胞克隆，通過遺傳互補，產(chǎn)生TYK2作為誘變劑滅活的必需基因。

▲使用相對較新的簡并聚合酶鏈式反應(yīng)方法生成蛋白激酶文庫，鑒定了新的 TYK 家族，包括TYK2、JAK1 和 JAK2。JAK這個名字起源于兩面羅馬神Janus，因為該激酶家族具有特征性的雙面結(jié)構(gòu)。

▲Darnell實驗室純化出STAT(STAT1和STAT2，干擾素調(diào)節(jié)因子9（IRF9），其命名表示它們的雙重性功能，并強調(diào)它們的功能執(zhí)行速度快速。

03全長JAK1結(jié)構(gòu)

隨著人類和其他基因組的完成，根據(jù)結(jié)構(gòu)確定JAK家族只有4個成員。JAK末端是一個羧基末端的催化或激酶結(jié)構(gòu)域，前端是一個假激酶 (PK) 或激酶樣結(jié)構(gòu)域。JAK通過氨基末端ezrin radixin、moesin (FERM)結(jié)構(gòu)域和Src Homology 2 (SH2)結(jié)構(gòu)域與細胞因子受體的Box1和Box2結(jié)構(gòu)域結(jié)合。直到最近才獲得與細胞因子受體的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域復(fù)合的全長JAK1結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2  Janus激酶的結(jié)構(gòu)

STAT3被鑒定為響應(yīng)IL-6的DNA結(jié)合“急性期反應(yīng)因子”。表皮生長因子和其他生長因子也被認為是STAT3激活劑。STAT4主要在淋巴組織中表達并被IL-12、IL-23和I型干擾素激活。由催乳素激活的“乳腺特異性核因子”被鑒定并命名為STAT5，可被IL-2、IL-3、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）和IL-5等因子激活。STAT6被鑒定并克隆為IL-4誘導(dǎo)因子。

04JAK-STAT通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

JAK-STAT通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：細胞因子受體結(jié)合JAK，導(dǎo)致JAK在受體尾部的酪氨酸殘基的激活和磷酸化。受體磷酸化為細胞質(zhì)STAT創(chuàng)建對接位點，STAT通過酪氨酸磷酸結(jié)合SH2結(jié)構(gòu)域被招募到受體復(fù)合物中，并自身磷酸化?；罨牧姿峄疭TAT（pSTAT）通過分子間SH2-磷酸酪氨酸相互作用形成同源或異源二聚化，易位到細胞核，結(jié)合DNA調(diào)控元件，改變?nèi)旧|(zhì)可及性，誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄（圖3）。

圖3  JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

05細胞因子信號通路的負調(diào)控

● 生理性負調(diào)控  

STAT靶基因的細胞因子信號抑制因子（SOCS家族）的SOCS蛋白通過與細胞因子受體結(jié)合，與STATs競爭，干擾細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。SOCS1和SOCS3的激酶抑制區(qū)（KIR）直接與JAK（JAK2、JAK1和TYK2）相互作用。其他關(guān)鍵的負反饋調(diào)節(jié)因子有泛素特異性肽酶18（USP18）和IFN刺激的基因15（ISG15）。激活STAT蛋白抑制劑（PIAS）家族由多個成員組成，它們作用于STATs和包括NF-kB在內(nèi)的其他因子，并通過多種機制干擾信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

● 病毒相關(guān)的負調(diào)控

直接或間接靶向STAT的病毒抗免疫策略突出了STAT介導(dǎo)的IFN信號通路作為抗病毒防御的重要性。STAT導(dǎo)向的IFN拮抗機制包括靶向STAT降解、隔離和細胞質(zhì)滯留。黃病毒，包括登革熱病毒和寨卡病毒，以STAT2為目標進行蛋白酶體依賴性降解。SARS-CoV-2 ORF6蛋白通過Nup98-Rae1核孔亞復(fù)合物干擾STAT的輸入。SARS-CoV-2 N蛋白也可介導(dǎo)STAT胞質(zhì)滯留。

06STAT結(jié)構(gòu)、復(fù)合物形成及對功能的影響

● 所有的STAT都具有相似的N端、卷曲螺旋、DNA結(jié)合、接頭、SH2和反轉(zhuǎn)錄激活域（ADs）（圖4）。活化的JAK磷酸化一個STAT單體的保守酪氨酸殘基，然后與另一個單體的SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合，驅(qū)動構(gòu)象變化，使STAT能夠易位到細胞核中，啟動靶基因的轉(zhuǎn)錄。使用P-STAT來表示“典型的”酪氨酸磷酸化，U-STAT來表示沒有酪氨酸磷酸化的STAT。  

圖4  STAT 結(jié)構(gòu)域和結(jié)構(gòu)

● STAT可以形成多種異源或同源二聚體。

STAT1、STAT3和STAT5a已被證明以平行或反平行的構(gòu)象形成同源二聚體（圖4；以STAT1為例）。STAT四聚體通過N端之間的相互作用協(xié)同招募同源二聚體成對形成。

響應(yīng)IFN I和III的基因表達由STAT1：STAT2異源二聚體驅(qū)動，并與IRF9一起組成干擾素刺激基因因子3（ISGF3）（圖5）。

● U-STAT1：U-STAT2二聚體不僅抑制多種P-STAT1同型二聚體的功能，還抑制ISGF3的形成。復(fù)合物形成也影響STAT的核質(zhì)穿梭。

圖5  STAT1和STAT2復(fù)合物的構(gòu)象變化

07STAT和轉(zhuǎn)錄調(diào)控

STAT復(fù)合物到達細胞核后就會完成與轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)的任務(wù)：參與染色質(zhì)化的靶基因、結(jié)合反應(yīng)元件，以及招募和激活RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄共激活因子的募集。  

●ISG的STAT調(diào)節(jié)

考慮到對病毒感染的快速反應(yīng)的必要性，ISG轉(zhuǎn)錄的誘導(dǎo)通常是快速的。這與轉(zhuǎn)錄速率的增加、快速mRNA加工和降解速率，并且沒有轉(zhuǎn)錄后控制相對應(yīng)。RNA Pol II重新招募到ISG是由IFN刺激的，ISGF3結(jié)合位點或附近的啟動子和基因體的染色質(zhì)可及性增加，并招募SWI/SNF核小體重塑復(fù)合體亞基。組蛋白乙?；腿ヒ阴；?/strong>都是ISG轉(zhuǎn)錄激活所必需的。

●STAT和其他轉(zhuǎn)錄因子

在生理條件下，細胞接收多個并發(fā)信號，激活多個信號通路。STAT和其他TF之間的相互作用包括TF合成的調(diào)控、TF活性的調(diào)節(jié)以及基因組內(nèi)影響轉(zhuǎn)錄的直接或間接相互作用。

●STAT之間的協(xié)同作用和拮抗作用

無論信號異同，不同的STAT都可以相互協(xié)同或拮抗，從而影響轉(zhuǎn)錄。由于 STAT1和STAT3的絲氨酸磷酸化，IL-2和IL-12介導(dǎo)的協(xié)同作用，導(dǎo)致更高水平的IFN-γ 表達。STAT之間的拮抗通常在IFN和STAT3激活細胞因子的狀態(tài)下，這一過程影響多種疾病的發(fā)生發(fā)展。

08細胞因子作用的基因組學(xué)視圖

STAT調(diào)節(jié)的增強子  

STAT與基因組的結(jié)合有多種影響。干擾素疾病與IFN表觀基因組特征相關(guān)，因此STAT可以介導(dǎo)誘導(dǎo)和抑制表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組效應(yīng)。活性增強劑可對STAT產(chǎn)生廣泛影響（圖6），它們可以影響近端組蛋白修飾，也可以參與潛在增強子的形成，還可以驅(qū)動缺乏LDTF結(jié)合基序區(qū)域的可及性。控制細胞類型特異性功能的關(guān)鍵基因往往受到被TFs、共激活因子、RNA Pol II和延伸因子密集占據(jù)的增強子簇的調(diào)控。

●STAT可以通過多種機制來傳遞其作用：直接轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)/抑制、表觀遺傳調(diào)節(jié)或兩者兼有，激活的STAT對表觀遺傳的調(diào)節(jié)有重要作用。

圖6  STAT和染色質(zhì)組織

09STAT的線粒體定位

除了在細胞質(zhì)和細胞核中發(fā)揮突出作用外，還有一小部分STAT1、STAT3和STAT5（占總數(shù)的5%-10%）位于線粒體中。線粒體STAT3研究最多，可通過調(diào)節(jié)呼吸、氧化還原穩(wěn)態(tài)和線粒體轉(zhuǎn)錄直接促進Ras誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)化。  

10JAKs和STATs的體內(nèi)功能

●JAK突變  

1、JAK的關(guān)鍵作用首次在嚴重聯(lián)合免疫缺陷（SCID）的人類中被證明。JAK3 常染色體隱性功能喪失（LOF）突變是導(dǎo)致SCID的重要原因。

2、人類TYK2缺乏與細菌和病毒感染以及過敏性疾病有關(guān)。人類TYK2的LOF變異（P1104A）與自身免疫性疾病的發(fā)病率的降低和結(jié)核病風險的增加相關(guān)。

3、JAK2對包括造血生長因子在內(nèi)的多種細胞因子具有重要作用。在骨髓增生性腫瘤（MPNs）患者中發(fā)現(xiàn)了JAK2 GOF突變。

4、人類的JAK1 LOF突變與復(fù)發(fā)性分枝桿菌感染、發(fā)育遲緩和早期轉(zhuǎn)移性膀胱癌相關(guān)。JAK1 GOF突變導(dǎo)致自身炎癥相關(guān)疾病和高免疫球蛋白E綜合征（HIES）。

●STAT突變

1、STAT1-GOF患者易患自身免疫性疾病，對真菌和病毒感染的易感性增加；

小鼠和人類的STAT2 LOF突變導(dǎo)致了對病毒的易感性增加。

2、STAT3的LOF突變是高免疫球蛋白 E（喬布氏）綜合征的分子基礎(chǔ)。STAT3 GWAS變異與炎癥性腸病 (IBD)、MS、2型糖尿病 (T2DM) 和心肌梗塞有關(guān)，具有STAT3 GOF突變的患者好發(fā)淋巴造血系統(tǒng)腫瘤和多發(fā)性自身免疫性疾病。

3、人類的STAT4 LOF突變與真菌感染和病毒感染的易感性相關(guān)。STAT4變異與狼瘡、類風濕性關(guān)節(jié)炎（RA）和干燥綜合征相關(guān)。

4、人類的STAT5B LOF突變會導(dǎo)致面部畸形和自身免疫。而且還可導(dǎo)致非克隆性高嗜酸性粒細胞增多、濕疹、蕁麻疹和腹瀉。

5、STAT6 GOF突變與伴有嗜酸性粒細胞增多癥的過敏性疾病相關(guān)，包括過敏、哮喘和嗜酸性粒細胞增多癥。

● 負反饋調(diào)節(jié)器的突變

小鼠SOCS1缺乏對IFN-γ過敏是致命的，而SOCS1缺陷的人類表現(xiàn)出早發(fā)性自身免疫性和過敏性疾病。人類USP18和ISG15缺乏的主要后果是嚴重的系統(tǒng)性干擾素病。

表1  JAK-STAT 通路體內(nèi)功能

11癌細胞中JAK和STAT的復(fù)雜角色

Tel-JAK2融合蛋白和隨后鑒定的其他JAK2融合蛋白（如PCM1、SEC1A和PAX5）都與白血病相關(guān)。此外，STAT3的SH2結(jié)構(gòu)域二聚化、與DNA結(jié)合，轉(zhuǎn)錄激活，導(dǎo)致細胞癌變。  

腫瘤與GOF突變有關(guān)。所有JAK和STAT的突變都很常見，但主要見于造血/淋巴系統(tǒng)惡性腫瘤中。包括乳腺癌、肺癌和結(jié)腸癌的非造血系統(tǒng)腫瘤中，JAK和STAT的突變發(fā)生較少，但并不意味著該通路與實體腫瘤無關(guān)。

在腫瘤微環(huán)境和間質(zhì)癌相關(guān)成纖維細胞中，STAT3可以通過改變細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生、血管生成和代謝環(huán)境來驅(qū)動腫瘤的發(fā)展和進展。

12JAK/STAT通路的治療靶向性

●JAK抑制劑  

目前11種JAK抑制劑已被批準用于治療包括RA、銀屑病和特應(yīng)性皮炎等自身免疫系統(tǒng)疾病，移植物抗宿主病，骨髓纖維化，腫瘤，斑禿等各類疾?。ū?）。小編之前也整理了截止到今年10月份的藥物信息，詳見推文：能取代修美樂成為未來藥王嗎？神奇JAK抑制劑最新匯總

到目前為止，JAK抑制劑的大多數(shù)不良事件都可以用已知的特定細胞因子對感染、貧血和癌癥的作用機制來解釋，其安全性在很大程度上可以與生物制劑相媲美。其他的不良相互作用包括血栓栓塞事件的風險增加，脂質(zhì)的改變，和心血管并發(fā)癥。

選擇性JAK抑制劑的開發(fā)干擾較少細胞因子的功能，能夠增加特異性，減少不良反應(yīng)。

靶向蛋白降解現(xiàn)在也是生成包括JAK1在內(nèi)的激酶抑制劑的一種選擇。

表2  獲批的 JAK 抑制劑

●STAT抑制劑

各種策略已被用于開發(fā)STAT抑制劑，包括干擾SH2介導(dǎo)的二聚體、DNA結(jié)合、或反轉(zhuǎn)錄激活和誘導(dǎo)STAT降解。多種抑制劑正在臨床試驗中，目前進展最快的藥物處于臨床II期，包括IONIS公司的靶向STAT3反義寡核苷酸Danvatirsen（國內(nèi)開展，三陰性乳腺癌），Hanlim公司的STAT抑制劑HL-237（韓國開展，類風濕性關(guān)節(jié)炎），Otsuka公司的STAT抑制劑OPB-111077（新加坡開展，實體瘤）。

●SOCS模擬物

SOCS擬肽藥物已在免疫和腫瘤臨床前模型中顯示出療效。

13未來的挑戰(zhàn)和機遇  

●結(jié)構(gòu)和細胞生物學(xué)

關(guān)于細胞因子受體和STAT復(fù)合物的結(jié)構(gòu)信息仍然缺乏。隨著成像方式的進步，可以使用更復(fù)雜的工具來分析細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的早期事件。

●更全面地理解STAT介導(dǎo)的染色質(zhì)修飾和轉(zhuǎn)錄調(diào)控

盡管STAT是信號依賴性TF，但非磷酸化STAT1的作用說明了仍需探究U-STAT1如何修飾染色質(zhì)和三維基因組。

利用體細胞GOF STAT突變，詳細了解STAT對相分離的生物物理方面的結(jié)構(gòu)和功能貢獻將對解釋增強子在染色質(zhì)環(huán)之外的功能，以及增強子和啟動子接近很重要。

●實現(xiàn)細胞、組織和刺激特異性程序

也許最大的挑戰(zhàn)是理解細胞如何使用有限的JAK和STAT傳遞由大量細胞因子產(chǎn)生的信號。

JAK-STAT通路可能有許多屬性幫助解決這一生物學(xué)難題。

首先是信號成分表達的特異性和調(diào)控。

第二，不同STAT激活幅度、磷酸化和去磷酸化速率、核易位和DNA結(jié)合不同。STAT異源二聚體的形成被認為是特異性的一種因素。但在沒有同源DNA結(jié)合基序的情況下，STAT如何被招募仍有待闡明。

第三，許多刺激特異性STAT翻譯后修飾狀態(tài)影響細胞內(nèi)運輸、DNA結(jié)合和轉(zhuǎn)錄潛力，但這些修飾通常不能全面和動態(tài)地測量。但幾乎沒有關(guān)于JAK對不同刺激的翻譯后修飾的信息，這需要進一步研究。

最后，多組學(xué)工具的產(chǎn)生便于全面測量隨著時間變化，在體內(nèi)單細胞響應(yīng)生理和相關(guān)病理的變化。

對JAK和STAT的更復(fù)雜的知識無疑將為具有更大特異性的新藥提供許多機會。

參考文獻：   1．Philips RL, Wang Y, Cheon H, Kanno Y, Gadina M, Sartorelli V, Horvath CM, Darnell JE Jr, Stark GR, O'Shea JJ. The JAK-STAT pathway at 30: Much learned, much more to do. Cell. 2022 Oct 13;185(21):3857-3876. doi: 10.1016/j.cell.2022.09.023.   2. 智慧芽

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