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编号:10496315
细胞因子受体介导的信号传递JAK-STAT研究新进展
http://www.100md.com 国外医学免疫学分册 2000年第23卷第1期
     中山医科大学附属第一医院肾科,广东广州 510089 李清刚

    细胞信号传递途径JAK-STAT是当今研究的热点,其参与细胞因子在细胞生成、分化、胚胎发育及机体免疫等生物学作用的基因调控,配体与大多数缺少激酶结构域的受体结合后,JAK激酶通过和受体聚合以及JAK的酪氨酸磷酸化激活,使受体和STAT蛋白磷酸化,后者直接参与基因调控。本文将对JAK-STAT的信号传递机制加以综述。

     关键词:细胞因子 受体 信号传递 JAK-STAT

    JAK-STAT[1,2]是近几年新发现的信号传递途径,其对细胞因子的生物学功能从分子水平加以调控,这与细胞因子及其受体、JAK-STAT自身等有密切关系。
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    1 细胞因子受体超家族 细胞因子受体是介导细胞因子生物学功能的第一个效应体,其大部分属于受体超家族,主要分为两型,见表1。

    1 不同细胞因子及其受体激活的JAK STAT

    配体

    JAK1

    JAK2

    JAK3

    JYK2

    STAT1
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    STAT2

    STAT3

    STAT4

    STAT5

    STAT6

    Ⅱ

    IFNα/β

    +

    +

    +

    +

    +
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    IFNγ

    +

    +

    +/-

    +

    型

    IL-10??

    +

    +

    +

    IL-2

    +

    +

    +
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    +

    IL-3?

    +?

    IL-4

    +

    +

    +

    IL-5

    +/-

    +

    +

    IL-6

    +

    +?
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    +

    +

    +

    IL-7

    +

    +

    Ⅰ

    IL-11

    +

    +

    型

    IL-12

    +

    +
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    +

    +

    LIF

    +???

    +/-

    +

    G-CSF

    +???

    +/-

    +

    CNTF

    +??

    +/-

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    +

    GM-CSF

    +

    +

    EPO??

    +

    GH?

    +

    PRL

    -/+?

    +/-

    注:INF:干扰素:IL;白细胞介素:GM-CSF:粒巨噬细胞集落刺激因子:ILF:白血病抑制因子:CNTF:睫状神经营养因子:EPO:促红细胞生成素:GH:生长激素:PRL:催乳激素
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    Ⅰ型受体胞外部分含有四个保守的半脱氨酸和一个位于C端的WSXW序列,后者对配体的结合很重要。Ⅱ型受体胞外部分N、C端各有数对半脱氨酸,在结构和进化上都与Ⅰ型受体有关。这两型受体都不含有酪氨酸激酶的结构域。无激酶活性。受体近膜区端有一定的保守性,可结合不同非受体型的酪氨酸激酶,促使信号传递更有灵活性和多样性。Box1、Box2是受体的两个结构域,Box1、富含PRO,有疏水性;Box2位于C端,有30个氨基酸,它们是信号传递的正调控区,介导受体与JAK结合。

    2 JAK家族 JAK(Janus kinase 或Just naother kinase)分子量为120~140KD。迄今已发现JAK1、2、3和TYK2四个家族成员,其中JAK1、2、3在人和小鼠分布广泛,而TYK2 仅见于造血细胞,髓样组织和肿瘤细胞等,分别位于人染色体1号(P31.3)、10号(P23-P24)、4号(q31)和19号(P13.2)上,同源性为40%~70%。
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    2.1 JAK家族结构征

    JAK家族有7个高度保守的结构域(JAK homology domains,JH)(图1)无跨膜结构域。JH1,2具有催化功能,JH3~7中最保守的是JH4,中心的18个残基在所有家族均相同,但它们无催化活性,可能在受体与JAK偶联过程中发挥作用。

    2.2 JAK与受体相互作用

    近几年的研究证实,在细胞因子与受体结合后,JAK与受体相互作用,使后者磷酸化,参与信号传递。

    2.2.1 受体方面:除了上述受体的Box1、Box2参与信号的正调控外,近来发现Box1样位点,gP130也参与信号传递。Box1样位点(LPKS)[3]位于JAK作用的IFNγR1亚单位的近膜区,其包含一个必需脯氨酸残基,同时在与JAK2作用的IFNγR2单位也有Box1样位点,其对信号传递是必需的。
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    IL-6受体的gP130参与信号传递[4],JAK1,2和TYK2可与之竞争相同的结构域,将其转换到不相关的受体上致多激酶的活化,Tanner等报道JAK2能与gP130或其它受体Box1的胞内区相作用。

    2.2.2 JAK方面:JH区对磷酸化受体是不可缺少的,还发现JAK2的JH7和/或JH6区可对IFNγR2的特异作用有决定性影响。JAK可对多种底物发挥作用,主要包括JAK受体和结合到受体复合物中的信号蛋白。JAK的潜在底物是蛋白-酪氨酸酶,可正调节细胞信号传递。STAT是最能代表JAK底物的底物之一。Quelle[5]等学者研究中发现,在某种程度上控制底物特异性的不是JAK自身,而是与JAK相作用的受体。当JAK在哺乳动物细胞中过度表达和高度磷酸化时,通过直接相互作用,以配体一非依赖方式使STAT磷酸化。
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    总之,JAK在胞内主要集中分布于细胞膜的表面,参与各种细胞因子受体相结合,Box1,2在JAK与受体的相互作用中有重要作用,它们间的区域,与JAK活性调控有关,但仍待进一步研究。

    2.3 JAK的催化活化

    JAK在哺乳动物过度表达时,表现出非受体依赖性催化活性状态,这可能与二聚体化有关。JAK1的催化需要酪氨酸,而JAK3则可以不需要[6]。另一方面,在其固有的受体激酶复合物,这些酶处于潜在、非活化状态,在与受体结合后,可发生激酶活化。配体的诱导和/或受体二聚体化促进JAK活化。JAK活化也可由抗体介导的不相关的受体外部结构域融合到胞内区触发。如抗体或EGF来源的JAK2二聚体共价融合到CD6或EGF受体外部区,可激活此区。在JAK的催化活化中,激酶样结构域虽缺乏磷酸转换所需的关键位点,但无此结构域的JAK会失去催化活性,这可能因其介导底物提呈给酪激酶区所致。
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    3 STAT家族 自1992年Fu等在研究IFN诱导基因转录时首次发现了信号的转录因子和活化子(signal transducers and activator of transcription,STAT)以来,在人和动物已发现有8个STAT,其中7个在哺乳动物,分别为STAT1,2,3,4,5a,5b6,一个在DrosDphila (果蝇纲)[7]

    STAT分布于多种类型的组织和细胞,在小鼠发育早期,STAT1存在于蜕膜内,STAT3存在于蜕膜和内脏内胚层,STAT2和STAT6分布广泛,STAT4主要分布于骨髓细胞,睾丸和淋巴细胞,STAT5存在于其他组织和髓类细胞等。

    3.1 STAT的结构特征
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    STAT分子大约有750~850个氨基酸,STAT2,6大约850个氨基酸,STAT1,3,4,5a,5b有780~790个氨基酸,分子量84~113KD。其功能区位置如图2所示,①SH结构域[8]:核心序列为GTFLLFSs(E/D),SH2介导STAT与活化受体的酪氨酸残基相结合,并且STAT可形成二聚体;SH3结构域[9]:能与富含pro位点结合。②C末端:为转录激活结构域,其中的磷酸丝氨酸决定STAT的核转位,其只见于STAT1,345a5b。N末端:其VTTE保守序列存在于所有STAT,参与DNA结合,如发生微小缺失,会使STAT失支被磷酸化的能力。③DNA结合区:其决定STAT与DNA结合。④酪氨酸磷酸化位点,位于所有STAT的701位氨基酸上,当其磷酸化时,STAT呈活化状态。见图2。
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    图2 STAT的结构

    STAT2.6处于上部分,下部分为STAT1,3,4,5a,5b Con:保守区;DNA binding:结合区;

    TAD:转录激活结构域;PY:磷酸酪氨酸;PS:磷酸丝氨酸

    3.2 激活STAT的配体

    活化STAT的配体见表1,受体酪氨酸家族(EGF,PDGF和CSF-1)也可活化STAT。还有一些配体如胰岛素、视黄酸、TNF或增加/抑制其表达,或调节丝氨酸活化而发挥间接作用。

    3.3 STAT的核转位和DNA结合

    活化的STAT转位到核内,依赖于STAT和它的丝氨酸状态以及同、异源二聚体形式和提供配体的途径(作为单次、持续或脉冲刺激)。另外GTP结合蛋白“Ran”亦参与STAT转位[11],这表明多调节步骤参加与控制STAT转位。已证明所有STAT识别高度相关的DNA序列,大多数STAT可结合到9bp的回文序5’-TTN5AA3’的GAS上,其亲和力依赖于回文序列或周围的寡核苷酸或TT与AA两核苷酸之间的距离。已发现IFN-α、IFN-γ诱导STAT结合DNA序列分别为ISRF(AGT3CN2T3CNC/T)、GAS(TTN5A2)。EGF、PDGF和CSF-1诱导STAT与SIF(GT2C3GTCA2)结合,并且STAT13也能结合这些序列。TTCN3GA3序列被认为STAT134,5的最佳结合点。
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    另外,IL-5、6和PRL的基因转录调控元件IL-6RE、PIRE、prolactin都和GAS非常相似,有共同保守的9bp回文核心序列T2NCN3AA。细胞因子对其结合序列的特异性是由激活的不同STAT复合物决定的,STAT的C末端对调节其转录活性是很重要的,并且丝氨酸磷酸化对调节其转录活性是必需的。

    4 JAK-STAT途径 细胞因子与受体结合后,使其二聚体化,JAK相互靠近、磷酸化、使受体上的酪氨酸残基也磷酸化,通过STAT形成二聚体后,STAT与受体分离,转位到核内,结合到DNA序列,从而调控基因表达。但也有STAT直接结合到活化的JAK上发生信号传递:如STAT5D在IL-6受体被磷酸化,即与JAK2的一个结构域直接作用[11]

    在细胞信号传递中,其特异性作用是由以下几个方面决定的:①细胞因子受体、JAK、STAT在不同的细胞分布及量的差异,并且它们之间的结合也有选择性。②有些受体胞质可选择性结合STAT。③STAT同/异源二聚体会有不同的功能,识别DNA序列、亲和力有差别,并且其尚可与其他蛋白分子形成复合物,调控基因转录。
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    5 JAK-STAT的生物学功能 现在已发现有些疾病是由信号传递分子突变引起的。T-B型免疫缺陷(SCID)就与JAK3变异有关[13],常染色体显性良性红细胞增多症是由EPO受体突变,导致其受体失去SH-PTP2的结合位点,从而信号传递异常。另外,在人肿瘤细胞,尽管没有发现JAK编码基因染色体异常或突变[13],但这些酶的重要作用是作为几个受体的底物控制生长,其失调可致肿瘤或其他疾病。另有学者发现,在体内外可用特异的JAK2抑制剂阻断白血病细胞的生长。

    STAT本身也具有重要的功能:STAT1可抑制细胞生长,参与细胞周期调控。在哺乳动物,STAT3对PRL有反应性,调节乳蛋白表达,STAT5参与细胞的增生和分化过程。

    在动物利用“基因敲除”技术,除去STAT14或5或6基因[14-18],生长、发育虽无异常,缺乏了STAT1,46小鼠分别不能对IFNα/γ,IL124反应,但对其他细胞因子可正常反应;缺乏STAT23在胚胎期即可死亡;STAT5a缺乏鼠乳房发育受损,不能泌乳。缺乏STAT6,B细胞不能增生和成熟,T细胞功能降低。经研究还发现STAT12对先天性免疫起关键作用,STAT46在获得性免疫中起重要作用。
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    6 展望 细胞信号传递JAK-STAT途径,是细胞生长、分化乃至机体免疫发育等一系列生理反应的关键环节,目前虽对信赖传递的调控、途径间的相互影响等有了较深入的研究,但仍需进一步探讨,在此领域,有可能为诊治人类某些疾病开辟新的途径,并取得突破进展,为最终治疗此类疾病奠定实验和理论基础。

    基金项目:国家卫生基金资助:编号15

    作者简介:李清刚,男(1970-),男(汉族),中山医科大学附属第一医院肾内科,博士

    审校者:中山医科大学附属第一医院肾科 李幼姬

    参考文献Taniguchj T.Science,1995;268:251Ihle JN et al .Nature,1995;377:591Kaplan DH et al .J Biol Chem,1996;271:9Kim IT et al .J Biol Chem,1997;272:30741Quelle FW et al .J Biol Chem,1995;270:20775Mahajan S et al .J Biol Chem,1999;274:9587Yan R et al .Cell,1996;421Chem X et al .Cell,1998;93:827Vihinen M et al .Biochem Biophys Res Commun,1998;242:351Subramaniam PS et al .J Biol Chem,1999;274:403Futani Y et al .On Cogene,1997;14:751Cacalann NA et al .J Biol Chem,1999;90:9587Meydan N et al .Nature,1996;379:645Durbin JE et al .ell.1996;84:445Kaplan MH et al .Mol Cell Biol,1998;18:1996Thierfelder WE et al .Nature,1996;382:171Attacked D et al .Nature ,1996;380:627Kaplan MH et al .J Ieukoc Biol,1998;640:2, 百拇医药