点击显示 收起
Jak／STAT信号转导途径研究新进展
免疫学杂志 2000年第1期第16卷 综述与讲座
作者：宋伦 沈倍奋
单位：宋伦（军事医学科学院基础医学研究所，北京 100850）； 沈倍奋（军事医学科学院基础医学研究所，北京 100850）
关键词：Jak激酶；STAT；信号转导
摘 要：Jak蛋白酪氨酸激酶和“信号转导子和转录激活子”（signal transducer and activator of transcription，STATs）的功能是随着近年来许多细胞因子和生长因子的信号转导机制的研究而逐渐阐明的。Jak激酶通常是以与细胞因子受体胞浆区偶联的方式存在，在受体与相应配基结合后活化，并通过激活STAT而诱导目的基因表达。由于Jak、STAT广泛地参与了各种细胞因子的信号转导过程，因此出现了Jak／STAT信号途径这一概念，并成为继Ras途径之后的又一重要的细胞因子信号转导通路。
中图分类号：R392．11 文献标识码：A
New development on Jak／STAT sigal transduction pathway▲
胞内信号传递过程是细胞对外界刺激产生反应并最终引发特异性生物学效应的有效方式。近年来，大量的研究工作已使在免疫系统中起重要作用的生长因子、细胞因子的胞内信号转导机制大为明朗化。与大多数具有酪氨酸激酶活性的生长因子受体不同，细胞因子受体通常在胞浆区没有酪氨酸激酶活性结构域，因此不能象生长因子受体那样在相应配基作用下利用受体本身的酪氨酸激酶活性活化其它信号蛋白分子；但在细胞因子作用的靶细胞中存在的非跨膜型蛋白酪氨酸激酶（nontransmembrane protein tyrosine kinase，NM-PTKs）可以介导细胞因子与其受体结合后的信号蛋白分子级联活化反应。Jak蛋白酪氨酸激酶（Janus protein tyrosine kinase）即是近几年来鉴定出来的在细胞因子信号传递过程中起重要作用的PTK。它可在细胞因子受体与相应配基结合后活化，并进而激活另一种信号蛋白分子“信号转导子和转录激活子”（signal transducer and activator of transcription，STATs）而诱导目的基因表达。Jak／STAT信号途径是继Ras途径之后出现的又一重要的细胞因子信号转导通路，本文将对近几年来有关这一信号途径的最新研究进展作一综述。
1 Jak蛋白酪氨酸激酶
Jak蛋白酪氨酸激酶家族是仅次于Src和Tec的第三大NM-PTK家族，共包括4个成员：Jak1、Jak2、Jak3和Tyk2，它们大小各异，分子量在120kD～140kD之间。Jak家族分子在结构上可分为两大部分：C端是两个紧密连接的酪氨酸激酶活性样结构域，其中最靠近C端的一个是Jak激酶的催化活性区；而位于其N端的另一个激酶样结构域不具有酪氨酸激酶活性，目前认为它可能在Jak激酶与其它信号蛋白分子的结合中起一定作用。Jak激酶的N端包括A、B、C、D、E5个亚结构域，被称为Jak同源区（Jak homology）或JH结构域。据推测这个部位可能参与Jak激酶与细胞因子受体或其它信号蛋白分子的偶联［1，2］。
众多细胞因子的信号转导研究结果表明：一种细胞因子的信号途径中可以有多种Jak激酶活化，一种Jak激酶也可以分别参与多种细胞因子的信号转导过程（见表1）。而且在某些情况下，Jak也可以被EGFR、PDGFR、CSF-1R等生长因子受体［1］或血管紧张素Ⅱ受体等G蛋白偶联的受体所活化［3］。
表1 各种细胞因子所激活的Jak激酶［1］
Tab1 Jaks activated in cytokine signaling
| Cytokine | Activated Jaks |
| IL-2／IL4／IL-7 | Jak1，Jak3 |
| IL-3／IL-5／GM-CSF | Jak1，Jak2 |
| IL-6／LIF／CNTF | Jak1，Jak2，Tyk2 |
| GH／Epo | Jak2 |
| IFNα／β | Jak1，Tyk2 |
| IFNγ | Jak1，Jak2 |
Jak激酶在细胞因子作用的靶细胞中通常是以与细胞因子受体偶联的方式存在的。这需要Jak激酶催化区以外的某一结构域与细胞因子受体上的相关氨基酸序列的共同参与［2］。多种细胞因子受体的结构与功能研究结果表明：细胞因子受体胞浆区近膜侧的一段同源区序列是其与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：Box1和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［1］。在IL-6家族细胞因子的信号传导子gp130和LIFR的结构与功能研究中发现：Box1中保守的Pro残基的突变可以使它们失去与Jak激酶的结合功能；Box2的缺失同样可以使前B细胞中参与IL-6信号转导的Jak2激酶活性消失［4］。应该指出的是，某些细胞因子受体上（IFN γ1R、2，IL-2R γc等）并不具有典型的Box1和Box2序列，但它们仍能与Jak激酶组成性偶联，这说明Box1和Box2并不是唯一的能够决定Jak激酶与细胞因子受体偶联的结构［5］。
细胞因子与其受体结合后可导致受体的二聚化或寡聚化，这使得与受体偶联的Jak激酶相互聚集，并通过交互自身磷酸化作用而活化。Jak激酶活化后主要有以下几种功能：催化细胞因子受体上的Tyr残基发生磷酸化从而使受体活化，同时磷酸Tyr残基及其周围的氨基酸序列共同形成了含有SH2结构域的其它信号蛋白分子结合受体复合物的“停泊位点”（docking site）；催化结合在细胞因子受体上的STAT蛋白的Tyr残基发生磷酸化，并激活Jak／STAT信号通路；Jak激酶也可能激活其它未知的或与Ras途径有关的信号蛋白分子从而实现与其它信号通路的有效联系［1，5］。2 STAT
STAT蛋白的发现源于对IFN信号转导机制的研究。P91、P113是两种在IFNα／β的信号转导中活化的转录因子；而IFNγ刺激靶细胞后所产生的DNA结合蛋白是P91的二聚体。由于这些蛋白分子可以在外界信号的刺激下激活并直接转入细胞核内引发相应靶基因的转录，因此被称为“信号转导子和转录激活子”（STATs）。P91被最终定义为STAT1α，P113被定义为STAT2；另外还存在有一种C端比P91少38个氨基酸的P84被定义为STAT1β。在这之后相继克隆了IL-6活化的STAT3（APRF）、STAT3β［6］，IL-12活化的STAT4，催乳素活化的STAT5，IL-4活化的STAT6［5，7］以及果蝇中的STAT蛋白——D-STAT（mrl）［5，8］。
哺乳动物的STAT1-STAT6分子大小由734-851个氨基酸不等。在结构上可分为以下几个功能区段：N-端的保守序列、中部的DNA结合区、类SH3样结构域、SH2结构域和C-端的转录激活区。其中最保守也是对其功能最重要的区段即是SH2结构域。它不仅具有与Src蛋白酪氨酸激酶的SH2结构域完全相同的保守核心序列“GTFLLRFSS”，而且其功能也与后者完全一致：即这个核心序列中的Arg（R）残基可直接结合另一分子上的磷酸酪氨酸残基从而介导两个分子之间的连接［1，5，7］。HEMMANN等的实验结果表明，将STAT1α中的这个保守Arg突变成G1u后其SH2结构域的功能完全丧失［9］。位于SH2结构域N端的类SH3样结构域的保守性没有前者那么明显，对它的功能目前也没有定论。STAT分子的DNA结合区结构独特，与其它已知的DNA结合蛋白的相应区域不存在结构同源性。在STAT蛋白SH2结构域的C端存在有一个位置保守的Tyr残基，它可在上级信号蛋白分子的作用下发生磷酸化反应，并以这个磷酸Tyr残基与其SH2结构域中的Arg残基一起介导STAT分子之间形成同／异二聚体。STAT分子的N端是一段在STAT家族各成员之间具有一定保守性的同源结构，这部分对STAT分子的Tyr磷酸化反应具有重要影响［7］。另外，某些STAT分子的二聚体进入细胞核并与DNA反应成分结合以后，是否具有转录激活作用或其作用的大小还要受到STAT分子C端的转录激活区的修饰作用的影响。例如：STAT1β除了在其C端比STAT1α少38个氨基酸以外，其余结构与STAT1α完全相同，它同样可以磷酸化并结合DNA，但不具有激活基因转录的功能［10］。另外，在STAT1α、3、4、5的C端都存在有一个位置保守的Ser残基，它的磷酸化修饰作用可使STAT3／STAT3和STAT1α／STAT1 α的转录活化能力分别提高2.5和6倍［11，12］。
一般来说，一种细胞因子在其信号转导中可同时激活多种Jak激酶，但对STAT分子的选择却具有一定的特异性。例如IL-4激活STAT6、IL-6激活STAT3（高浓度的IL-6刺激还可激活STAT1α）、IL-12激活STAT4［2，5，7］等。研究表明，在多数情况下，细胞因子对STAT的选择特异性是由STAT的SH2结构域和细胞因子受体中结合STAT分子的特定氨基酸序列共同决定的。例如Stah1在研究IL-6家族细胞因子的信号转导机制时发现，IL-6信号转导子gp130胞内区远膜端的“Y*XXQ”（Y*代表磷酸化的Tyr，X代表任意氨基酸）是引导STAT3结合gp130的特征性“调节序列”。这其中除了Y*能够与STAT3 SH2结构域的Arg直接作用以外，＋4位的Q也是必须的，因为它的突变会使gp130丧失与STAT3的结合能力。“Y*XXQ”序列在gp130胞内区共有4个，每一个都可以独立激活STAT3［13，14］。HUMMANN等的进一步研究结果表明，这4个序列中的后两个（远膜端的两个）在Y后＋3位的氨基酸都是Pro，因此它们既能结合STAT3，也能结合STAT-1α；也就是说，“Y*XPQ”序列是决定STAT-1 α与gp130结合的特征序列［9］。另外，某些细胞因子受体（如EPO-R、GH-R）中没有能够结合STAT分子的特征序列，但它们对STAT分子的选择仍具有特异性；目前对于它们的特异性选择机制还不清楚［5，9］。
STAT分子除了在细胞因子受体的信号转导中起广泛作用以外，它也可以被一些具有酪氨酸激酶活性的生长因子受体激活。例如EGFR可活化STAT1和STAT3［10，15］；PDGFR、CSF-1R可激活STAT1［16］；HGFR可激活STAT3［17］等。另外，前文所述及的血管紧张素Ⅱ受体虽然是一种G蛋白偶联型受体，但同样也能激活STAT3［3］。
3 Jak／STAT信号途径及其在免疫调控中的作用
随着Jak激酶和STAT蛋白的结构与功能的不断阐明，Jak／STAT信号途径的作用模式已基本清楚：细胞因子与其受体结合后引起受体分子的二聚化，这使得与受体偶联的Jak激酶相互接近并通过交互的Tyr磷酸化作用而活化。活化的Jak激酶催化受体本身的Tyr残基磷酸化并形成相应的STAT分子与受体复合物结合的“停泊位点”，使STAT得以通过其SH2结构域与受体上的磷酸Tyr残基结合并在Jak激酶的作用下实现其C端Tyr残基的磷酸化。两个磷酸化的STAT分子利用SH2结构域的Arg与磷酸Tyr之间的作用形成同／异二聚体并离开受体进入细胞核，与目的基因的启动子区域结合，有些可能再经过某种修饰作用（如Ser的磷酸化）而激活相应基因的转录和表达［5，7］。
目前的研究结果表明，多种细胞因子、生长因子、激素等的信号转导途径中都有Jak激酶和STAT蛋白的参与，因此它们在这些因子介导的免疫反应和免疫调控中具有重要的作用。
Jak激酶家族的3个分子Jak1、Jak2和Tyk2在各种组织和细胞中都有普遍表达，这也是它们广泛参与各种因子信号转导功能的基础（见表1）。Jak2基因突变对造血细胞的增殖、分化（IL-3、GM-CSF、EPO等介导）；急性期反应（IL-6介导）；抗病毒免疫（IFN γ介导）等功能具有重要影响。Jak1基因缺失可造成小鼠胸腺的非正常发育和成熟B细胞数目的明显下降，同时也会影响部分细胞因子的功能［5］。而Jak3的表达只限于骨髓细胞和淋巴细胞，并且在骨髓细胞分化、T细胞和单核细胞活化后Jak3的数量会急剧增加。IL-2、4、7、9、15在信号传递中共用与Jak3偶联的γc，因此这几种细胞因子的信号途径中都会出现Jak3的活化。Jak3基因缺失后可造成T细胞、NK细胞数目的严重降低（IL-2介导）；由Th2细胞介导的B细胞功能（IL-4介导）缺失。同时，Jak3基因缺失的小鼠由于骨髓中前B细胞的发育受阻（IL-7介导），因此会形成严重的B淋巴细胞瘤［1，5］。
与Jak激酶相比，STAT蛋白的功能具有一定的细胞因子特异性，这主要是通过对STAT基因敲除小鼠的生物学功能的研究而确定的。STAT1 α基因敲除鼠没有IFNα、IFNγ反应；STAT4基因敲除后IL-12介导的淋巴细胞增殖、NK细胞的细胞毒作用等反应缺失；STAT6基因敲除小鼠没有IL-4介导的B细胞增殖和成熟反应，同时T细胞生长缓慢、分化受阻。STAT3的突变或STAT3β的过度表达会严重抑制IL-6对白血病细胞及前B细胞的生长刺激作用；而STAT5基因的缺失会影响到乳腺的发育和乳汁的分泌［5，7］。
4 总结和展望
细胞内的信号传递过程是非常复杂的，需要多种信号蛋白分子的参与和配合。目前的研究结果表明：Jak／STAT途径与另一重要的细胞因子信号转导途径——Ras途径之间存在着某些联系，但这些联系到目前为止并不十分清楚。例如前文所述及的参与IL-6信号转导的STAT1α和STAT3的C端具有一个Ser／Thr型蛋白激酶MAPK的作用位点，这说明Ras途径可能对Jak／STAT途径具有一定的调节作用，只是目前还不清楚究竟是哪一种MAPK参与了这个调节过程。另外，Sthal在研究gp130的结构与功能时发现，gp130胞浆区除了具有4个“Y*XX（P）Q”调节序列以外，还存在有另一个包含Tyr残基的特征性调节序列“Y*XXV”，它可以引导同样具有SH2结构域的蛋白酪氨酸磷酸酯酶PTP1D进入gp130［13］。PTP1D在PDGF的信号转导过程中由于同时连接了PDGF受体上的磷酸Tyr残基和Ras途径中的Grb2，Grb2又可依次连接SOS，Raf-1，MAPK等实现PDGF作用下的Ras途径信号传递过程，因此被称为具有连接功能的“调节子”（adaptor）［18］。在IL-6的信号转导中PTP1D也可以与gp130上的Tyr残基结合；这似乎给了人们某种启示，PTP1D进入gp130后是否能象在PDGF信号通路中那样连接Grb2并进而引发Ras途径的活化呢？在某些IL-6刺激的靶细胞中的确观察到Raf-1的酪氨酸激酶活性升高、GTP-Ras与GDP-Ras的比值升高、P42MAPK和P44MAPK激活等Ras途径被活化的现象［19］。但目前还没有这两种途径以某一分子相互联系的直接证据。
虽然短短几年时间，有关jak／STAT信号途径的研究已取得了很大进展，但其中还有很多不够完善之处。例如有关Jak激酶的结构与功能的研究，尤其是它与细胞因子受体或其它信号蛋白分子的作用部位至今还没有阐明。STAT蛋白的研究也面临同样的问题。对前文所述及的STAT分子N端结构保守区、中部的DNA结合区、类SH3样结构域以及C端的转录激活区的作用等尚需进行深入研究。另外，对STAT分子从细胞浆转入细胞核的转运过程的研究有可能提供一些新的蛋白运输机制；同时有关STAT分子在C端转录激活区的修饰作用的研究可能为解决转录活化和转录抑制中的某些基本问题提供一些依据。■
作者简介：宋伦（1971-），女，吉林省人，在读博士，主要从事细胞因子的信号转导功能研究。
参考文献：
［1］BOLEN BJ，BRUGGE JS．Leukocyte protein tyrosine kinases：Potentail targets for drug discovery［J］．Annu Rev Immunol，1997，15：371～404．
［2］IHLE JN，WITTHUHN BA，QUELLE FW，et al．Signal through the hematopoietic cytokine receptors［J］．Annu Rev Immunol，1995，13：369～398．
［3］BHAT JG，BAKER MK．Angiotensin Ⅱ stimulates tapid serine phosphorylation of transcription factor STAT3［J］．Mol Cel Biol，1997，170：171～176．
［4］NARAZAKI M，WITTHUHN BA，YOSHIDA K，et al．Activation of Jak2 kinase mediated by the IL-6 signal transducer gp130［J］．Proc Natl Acad Sci USA，1994，91：2285～2289．
［5］PELLEGRINI S，DUSANTER-FI．The structure，re-gulation and function of the Janus kinase（JAKs）and the signal transducers and activators of transcriptions（STATs）［J］．Eur J Biochem，1997，248：615～633．
［6］SCHAEFER TS，SANDERS LK，Nathans D．Cooperative transcriptional activity of Jun and Stat3β，a short form of Stat3［J］．Proc Nat1 Acad Sci USA，1995，92：9097～9101．
［7］IHLE JN．STATs：Signal transducers and activators of transcription［J］．Cell，1996，84：331～334．
［8］HOU XS，MELNICK MB，PARRIMON N．Marrele acts downstream of the dDrosophila HOP／Jak kinase and encodes a protein similar to the mammalian STATs．Cell，1996，84：411～420．
［9］HEMMANN U，GERHARTZ C，HEESEL B，et al．Differential activation of acute phase response factor／STAT3 and STAT1 via the cytoplasmic domain of the IL-b singal transducer gp130［J］．J Biol Chem，1996，271：12991～12998．
［10］SADOWKI HB，SHUAI K，DARNELL JE，et al．A common nuclear signal transduction pathway activated by growth factor and cytokine receptors［J］．Science，1993，261：1739～1743．
［11］ZILONG W，ZHONG Z，DARNELL JE．Maximal activation of transcription by STAT1 and STAT3 requires both tyrosine and serine phosphorylation［J］．Cell，1995，82：241～250．
［12］LUTTIHEN C，COFFER P，YUAN J，et al．Interleukin-6 induced serine phosphorylation of transcription factor APFR：evidence for a role in interleukin-6 target gene induction［J］．FEBS Lett，1995，360：137～143．
［13］STAHL N，FARRUGGELLA JT，BOULTON GT，et al．Choice of STATs and other substances specified by modular tyrosine-based motifs in cytokine receptors［J］．Science，1995，267：1349～1353．
［14］YAMASAKA Y，NAKAJIMA K，FUKADA T，et al．Differentiation and growth arrest signals are generated through the cytoplasmic region of gp130 that is essential for stat3 activation［J］．EMBO J，1996，15：1557～1565．
［15］PARK OK，SCHAEFER TS，NATHANS D．In vitro activation of STAT3 by epidermal growth factor receptor kinase［J］．Proc Natl Acad Sci USA，1996，93：13704～13708．
［16］ZHONG Z，ZILONG W，DARNELL J．STAT3：A STAT family number activated by tyrosine phosphorylation in res-ponse to epidermal growth factor and IL-6［J］．Science，1994，264：95～98．
［17］SCHAPER F，SIEWERT E，GOMEZ-LECHON JM，et al．Hepatocyte growth factor／scatter factor（HGF／SF） signals via the STAT3／APRF transcription factor in human he-patoma cells and hepatocytes［J］．FEBS Lett，1997，405：99～103．
［18］BONNETT MA，TANG LT，SUGIMOTO S，et al．Protein-tyrosine-phosphatase SHPTP2 couples platelet-derived growth factor receptor β to Ras［J］．Proc natl Acad Sci USA，1994，91：7335～7340．
［19］TAGA T，KISHIMOTO T．Gp130 and the Interlukin-6 family of cytokines［J］．Annu Rev Immunol，1997，15：797～819．
收稿日期：1998-06-09
修回日期：1998-09-03