Путь JAK-STAT: Механизмы и Роль в Заболеваниях

Введение

Биологический сигнальный путь h

Сигнальный путь JAK-STAT представляет собой цепочку взаимодействий между белками в клетке и участвует в таких процессах, как иммунитет, деление клеток, гибель клеток и образование опухолей. Этот путь передает информацию от химических сигналов вне клетки к ядру клетки, что приводит к активации генов посредством транскрипции. Существует три ключевых компонента JAK-STAT сигнализации: киназы Януса (JAK), транскрипционные активаторы и преобразователи сигналов (STAT) и рецепторы (которые связывают химические сигналы). Нарушение JAK-STAT сигнализации может приводить к различным заболеваниям, таким как кожные заболевания, рак и нарушения иммунной системы. Киназный домен жизненно важен для активности JAK, поскольку он позволяет JAK фосфорилировать (добавлять фосфатные группы) белки. Существует семь белков STAT: STAT1, STAT2, STAT3, STAT4, STAT5A, STAT5B и STAT6. STAT также содержат домены транскрипционной активации (TAD), которые менее консервативны и расположены на C-конце. Кроме того, STAT содержат: домены тирозиновой активации, аминотерминальные, линкерные, спиральные и домены связывания с ДНК. Связывание различных лигандов, обычно цитокинов, таких как интерфероны и интерлейкины, с клеточными поверхностными рецепторами, вызывает димеризацию рецепторов, что приводит к сближению ассоциированных с рецептором JAK. Затем JAK фосфорилируют друг друга на тирозиновых остатках, расположенных в областях, называемых петлями активации, посредством процесса, называемого трансфосфорилированием, что повышает активность их киназных доменов. Эти активированные STAT образуют гетеро- или гомодимеры, где SH2 домен каждого STAT связывается с фосфорилированным тирозином противоположного STAT, после чего димер транслоцируется в ядро клетки для индукции транскрипции генов-мишеней. Димер STAT затем свободен в ядре. Специфические STAT, по-видимому, связываются с определенными белками импортина. Например, белки STAT3 могут проникать в ядро, связываясь с импортином α3 и импортином α6. С другой стороны, STAT1 и STAT2 связываются с импортином α5. Существуют дискуссии относительно того, метилируется ли STAT1 на остатке аргинина (в позиции 31) и какова может быть функция этого метилирования. Ацетилирование. Показано, что STAT1, STAT2, STAT3, STAT5 и STAT6 подвергаются ацетилированию. STAT1 может иметь ацетильную группу, присоединенную к лизинам в позициях 410 и 413, и в результате STAT1 может способствовать транскрипции генов апоптоза, вызывая гибель клеток. Предполагается, что добавление ацетильных групп к STAT6 необходимо для транскрипции генов в некоторых формах IL-4 сигнализации, но не все аминокислоты, ацетилируемые на STAT6, известны. Оно также необходимо для транскрипции некоторых генов-мишеней цитокинов IL-6 и IFN-γ.

The JAK STAT signaling pathway is a chain of interactions between proteins in a cell, and is involved in processes such as immunity, cell division, cell death, and tumour formation. The pathway communicates information from chemical signals outside of a cell to the cell nucleus, resulting in the activation of genes through the process of transcription. There are three key parts of JAK STAT signalling: Janus kinases (JAKs), signal transducer and activator of transcription proteins (STATs), and receptors (which bind the chemical signals). Disrupted JAK STAT signalling may lead to a variety of diseases, such as skin conditions, cancers, and disorders affecting the immune system. The kinase domain is vital for JAK activity, since it allows JAKs to phosphorylate (add phosphate groups to) proteins. There are seven STAT proteins: STAT1, STAT2, STAT3, STAT4, STAT5A, STAT5B and STAT6. STATs also have transcriptional activation domains (TAD), which are less conserved and are located at the C terminus. In addition, STATs also contain: tyrosine activation, amino terminal, linker, coiled coil and DNA binding domains.]] The binding of various ligands, usually cytokines, such as interferons and interleukins, to cell surface receptors, causes the receptors to dimerize, which brings the receptor associated JAKs into close proximity. The JAKs then phosphorylate each other on tyrosine residues located in regions called activation loops, through a process called transphosphorylation, which increases the activity of their kinase domains. These activated STATs form hetero or homodimers, where the SH2 domain of each STAT binds the phosphorylated tyrosine of the opposite STAT, and the dimer then translocates to the cell nucleus to induce transcription of target genes. The STAT dimer is then free in the nucleus. Specific STATs appear to bind to specific importin proteins. For example, STAT3 proteins can enter the nucleus by binding to importin α3 and importin α6. On the other hand, STAT1 and STAT2 bind to importin α5. There is debate as to whether STAT1 is methylated on an arginine residue (at position 31), and what the function of this methylation could be. Acetylation. STAT1, STAT2, STAT3, STAT5 and STAT6 have been shown to be acetylated. STAT1 may have an acetyl group attached to lysines at positions 410 and 413, and as a result, STAT1 can promote the transcription of apoptotic genes triggering cell death. Adding acetyl groups to STAT6 is suggested to be essential for gene transcription in some forms of IL 4 signalling, but not all the amino acids which are acetylated on STAT6 are known. It is also required for the transcription of some target genes of the cytokines IL 6 and IFN γ.

Привлечение коактиваторов

Как и многие другие факторы транскрипции, STAT способны рекрутировать коактиваторы, такие как CBP и p300, и эти коактиваторы повышают скорость транскрипции генов-мишеней. Эти HAT добавляют ацетильные группы к лизиновым остаткам белков, связанных с ДНК, называемых гистонами. Добавление ацетильных групп снижает положительный заряд лизиновых остатков, что приводит к ослаблению взаимодействия между гистонами и ДНК, делая ДНК более доступной для STAT и обеспечивая увеличение транскрипции генов-мишеней.

Интеграция с другими сигнальными путями

Сигнализация JAK STAT способна взаимодействовать с другими путями клеточной сигнализации, такими как путь PI3K/AKT/mTOR. Когда JAK активируются и фосфорилируют тирозиновые остатки на рецепторах, белки, содержащие SH2 домены (например, STAT), могут связываться с фосфотирозинами и выполнять свою функцию. Подобно STAT, белок PI3K также имеет SH2 домен и, следовательно, способен связываться с этими фосфорилированными рецепторами. Одним из примеров интеграции JAK STAT сигнализации с другими путями является сигнализация рецептора интерлейкина-2 (IL-2) в T-клетках. Рецепторы IL-2 содержат γ (гамма) цепи, которые ассоциированы с JAK3, который затем фосфорилирует ключевые тирозины в цитоплазматическом хвосте рецептора. Фосфорилирование затем рекрутирует адапторный белок Shc, который активирует путь MAPK/ERK, что способствует регуляции генов STAT5.

Роль в сигнализации рецепторов цитокинов

Учитывая, что многие JAK связаны с рецепторами цитокинов, сигнальный путь JAK STAT играет важную роль в передаче сигналов рецепторов цитокинов. Поскольку цитокины – это вещества, вырабатываемые иммунными клетками и способные изменять активность соседних клеток, эффекты сигнализации JAK STAT часто более выражены в клетках иммунной системы. Например, активация JAK3 в ответ на IL-2 имеет жизненно важное значение для развития и функционирования лимфоцитов. Кроме того, одно исследование показывает, что JAK1 необходим для осуществления сигнализации рецепторов цитокинов IFNγ, IL-2, IL-4 и IL-10. Сигнальный путь JAK STAT в передаче сигналов рецепторов цитокинов может активировать STAT, которые способны связываться с ДНК и обеспечивать транскрипцию генов, участвующих в делении, выживании, активации и рекрутинге иммунных клеток. Например, STAT1 может инициировать транскрипцию генов, ингибирующих деление клеток и стимулирующих воспаление. В ответ на цитокины, такие как IL-4, сигнализация JAK STAT также способна стимулировать STAT6, что может способствовать пролиферации В-клеток, выживанию иммунных клеток и продукции антитела, называемого IgE. У некоторых мух с дефектными генами JAK может наблюдаться чрезмерное деление клеток крови, потенциально приводящее к лейкемии. Сигнализация JAK STAT также связана с избыточным делением белых кровяных клеток у людей и мышей. Для подтверждения этой теории на одном из этих генов, называемом even-skipped (eve), были идентифицированы участки связывания STAT. Из всех сегментных полос, затронутых мутациями JAK или STAT, пятая полоса поражается в наибольшей степени, точные молекулярные причины этого до сих пор неизвестны. Регуляторами JAK STAT сигнализации являются протеин-тирозинфосфатазы (PTP) и супрессоры цитокиновой сигнализации (SOCS). Вычислительные модели JAK STAT сигнализации, основанные на законах химической кинетики, прояснили важность этих различных регуляторных механизмов для динамики JAK STAT сигнализации.

Ингибиторы белка активированных STAT (PIAS)

PIAS – это семейство белков, состоящее из четырех членов: PIAS1, PIAS3, PIASx и PIASγ. Эти белки добавляют маркер, называемый SUMO (малый модификатор, подобный убиквитину), к другим белкам – таким как JAK и STAT, – модифицируя их функцию. Другие исследования показали, что добавление группы SUMO к STAT может блокировать фосфорилирование тирозинов в STAT, предотвращая их димеризацию и ингибируя JAK-STAT сигнализацию. Также было показано, что PIASγ препятствует функционированию STAT1. Белки PIAS могут также функционировать, предотвращая связывание STAT с ДНК (и, следовательно, предотвращая активацию генов), и рекрутируя белки, называемые гистон-дезацетилазами (HDAC), которые снижают уровень экспрессии генов. SHP 1. SHP 1 преимущественно экспрессируется в клетках крови. Он содержит два SH2 домена и каталитический домен (область белка, осуществляющая его основную функцию). Как и все PTP, для их функции необходимы определенные аминокислотные структуры: консервированные аминокислоты цистеин, аргинин и глутамин, а также петля, состоящая из триптофана, пролина и аспартата (WPD-петля). Способность SHP 1 негативно регулировать путь JAK-STAT также была продемонстрирована в экспериментах на мышах, у которых отсутствует SHP 1. Эти мыши проявляют признаки аутоиммунных заболеваний и демонстрируют высокий уровень пролиферации клеток, что является типичной характеристикой аномально высокого уровня JAK-STAT сигнализации. Однако SHP 1 также может способствовать JAK-STAT сигнализации. Исследование 1997 года показало, что SHP 1 потенциально может усиливать активацию STAT, а не снижать его активность. Детальное молекулярное понимание того, как SHP 1 может одновременно активировать и ингибировать сигнальный путь, до сих пор отсутствует. У человека существует два белка SHP 2, каждый из которых состоит из 593 и 597 аминокислот. Аналогичным образом, было показано, что SHP 2 снижает сигнализацию, включающую белки STAT3 и STAT5, путем удаления фосфатных групп. Как и SHP 1, SHP 2 также считается способным стимулировать JAK-STAT сигнализацию в некоторых случаях, а также ингибировать ее. Например, одно исследование указывает на то, что SHP 2 может способствовать активности STAT5, а не снижать ее. Кроме того, другие исследования предполагают, что SHP 2 может увеличивать активность JAK2 и стимулировать JAK2/STAT5 сигнализацию. До сих пор неясно, как SHP2 может одновременно ингибировать и стимулировать JAK-STAT сигнализацию в пути JAK2/STAT5; одна из теорий заключается в том, что SHP 2 может стимулировать активацию JAK2, но ингибировать STAT5 путем удаления с него фосфатных групп. В то время как у мышей CD45 способен воздействовать на все JAK. Одно исследование показывает, что CD45 может сократить продолжительность активности JAK-STAT сигнализации. SOCS-бокс может взаимодействовать с рядом белков, образуя белковый комплекс, который затем может вызывать деградацию JAK и самих рецепторов, тем самым ингибируя JAK-STAT сигнализацию. Затем белки, такие как JAK и рецепторы, транспортируются в компартмент клетки, называемый протеасомой, которая осуществляет расщепление белков. Точные детали функционирования других SOCS изучены недостаточно.

PIAS are a four member protein family made of: PIAS1, PIAS3, PIASx, and PIASγ. The proteins add a marker, called SUMO (small ubiquitin like modifier), onto other proteins – such as JAKs and STATs, modifying their function. Other studies have demonstrated that adding a SUMO group to STATs may block phosphorylation of tyrosines on STATs, preventing their dimerization and inhibiting JAK STAT signalling. PIASγ has also been shown to prevent STAT1 from functioning. PIAS proteins may also function by preventing STATs from binding to DNA (and therefore preventing gene activation), and by recruiting proteins called histone deacetylases (HDACs), which lower the level of gene expression. SHP 1. SHP 1 is mainly expressed in blood cells. It contains two SH2 domains and a catalytic domain (the region of a protein that carries out the main function of the protein) the catalytic domain contains the amino acid sequence VHCSAGIGRTG (a sequence typical of PTPs). As with all PTPs, a number of amino acid structures are essential for their function: conserved cysteine, arginine and glutamine amino acids, and a loop made of tryptophan, proline and aspartate amino acids (WPD loop). The ability of SHP 1 to negatively regulate the JAK STAT pathway has also been seen in experiments using mice lacking SHP 1. These mice experience characteristics of autoimmune diseases and show high levels of cell proliferation, which are typical characteristics of an abnormally high level of JAK STAT signalling. However, SHP 1 may also promote JAK STAT signalling. A study in 1997 found that SHP 1 potentially allows higher amounts of STAT activation, as opposed to reducing STAT activity. A detailed molecular understanding for how SHP 1 can both activate and inhibit the signalling pathway is still unknown. Humans have two SHP 2 proteins, each made up of 593 and 597 amino acids. In a similar manner, SHP 2 has also been shown to reduce signalling involving STAT3 and STAT5 proteins, by removing phosphate groups. Like SHP 1, SHP 2 is also believed to promote JAK STAT signalling in some instances, as well as inhibit signalling. For example, one study indicates that SHP 2 may promote STAT5 activity instead of reducing it. Also, other studies propose that SHP 2 may increase JAK2 activity, and promote JAK2/STAT5 signalling. It is still unknown how SHP2 can both inhibit and promote JAK STAT signalling in the JAK2/STAT5 pathway; one theory is that SHP 2 may promote activation of JAK2, but inhibit STAT5 by removing phosphate groups from it. whereas in mice, CD45 is capable of acting on all JAKs. One study indicates that CD45 can reduce the amount of time that JAK STAT signalling is active. The SOCS box can interact with a number of proteins to form a protein complex, and this complex can then cause the breakdown of JAKs and the receptors themselves, therefore inhibiting JAK STAT signalling. The proteins, such as JAKs and the receptors, are then transported to a compartment in the cell called the proteasome, which carries out protein breakdown. The exact details of how other SOCS function is less understood.

Болезни, связанные с иммунной системой

JAK3 может использоваться для передачи сигналов IL-2, IL-4, IL-15 и IL-21 (а также других цитокинов); поэтому у пациентов с мутациями в гене JAK3 часто возникают проблемы, затрагивающие многие аспекты иммунной системы. Например, нефункциональный JAK3 вызывает тяжелый комбинированный иммунодефицит (SCID), что приводит к отсутствию у пациентов NK-клеток, B-клеток или T-клеток, и делает людей с SCID восприимчивыми к инфекциям. Предполагается, что у пациентов с мутациями в генах STAT1 и STAT2 чаще развиваются инфекции, вызванные бактериями и вирусами. Мутации STAT4 также связаны с ревматоидным артритом, а мутации STAT6 – с астмой. У пациентов с нарушенным сигнальным путем JAK-STAT могут также возникать кожные заболевания. Например, нефункциональные рецепторы цитокинов и переэкспрессия STAT3 связаны с псориазом (аутоиммунное заболевание, характеризующееся красной, шелушащейся кожей). Кроме того, поскольку многие цитокины функционируют через транскрипционный фактор STAT3, STAT3 играет важную роль в поддержании кожного иммунитета. Например, чрезмерная активность STAT3 связана с повышенной вероятностью рецидива меланомы (рак кожи) после лечения, а аномально высокие уровни активности STAT5 – с более высокой вероятностью смерти пациента от рака предстательной железы. Высокая активность STAT3 играет ключевую роль в этом процессе, поскольку она может обеспечивать транскрипцию генов, таких как BCL2 и c-Myc, участвующих в клеточном делении.

Ковид-19

Janus kinase (JAK) /сигнал-трансдуктор и активатор транскрипции (STAT) путь находился в центре внимания как фактор, вызывающий гиперинфламацию при COVID-19, то есть инфекция SARS-CoV-2 запускает гиперинфламацию посредством JAK/STAT пути, что приводит к рекрутингу дендритных клеток, макрофагов и естественных киллеров (NK), а также к дифференцировке B-клеток и T-клеток, прогрессирующей до цитокинового шторма.

Лечение

Поскольку избыточная сигнализация JAK-STAT ответственна за развитие некоторых видов рака и иммунных расстройств, ингибиторы JAK были предложены в качестве лекарственных препаратов для терапии. Например, при лечении некоторых форм лейкемии, направленное воздействие и ингибирование JAK может устранить последствия сигнализации EPO и, возможно, предотвратить развитие лейкемии. Одним из примеров лекарственного препарата, являющегося ингибитором JAK, является руксолитиниб, который используется как ингибитор JAK2. Также разрабатываются ингибиторы STAT, и многие из них нацелены на STAT3. Сообщалось, что терапия, направленная на STAT3, может улучшить показатели выживаемости пациентов с раком. Другой препарат, тофацитиниб, применяется для лечения псориаза и ревматоидного артрита и одобрен для лечения болезни Крона и язвенного колита.