JAK-STAT信號(hào)通路全面梳理：成員、調(diào)控機(jī)制、靶向治療……

JAK-STAT信號(hào)通路全面梳理：成員、調(diào)控機(jī)制、靶向治療……先講個(gè)故事2024年11月5日，中國(guó)科學(xué)院在上海舉辦“紀(jì)念JAK-STAT30周年慶典和科學(xué)論壇”。四川大學(xué)華西醫(yī)院傅新元教授在開幕致辭中提到：JAK-STAT信號(hào)通路是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)的從細(xì)胞膜受體到細(xì)胞核內(nèi)基因表達(dá)的通路。迄今與此通路有關(guān)的科學(xué)論文已超過(guò)10萬(wàn)余篇，對(duì)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。針對(duì)此通路的第一代靶點(diǎn)JAK的藥物研發(fā)直接產(chǎn)生了12個(gè)以上FDA等機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的創(chuàng)新藥，全球累計(jì)銷售額已達(dá)300億美元以上。三十多年來(lái)，JAK-STAT通路的發(fā)現(xiàn)和研究，對(duì)關(guān)鍵生物學(xué)過(guò)程和多種相關(guān)疾病具有重大意義。傅新元教授在JAK-STAT通路的發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。他在研究干擾素信號(hào)通路時(shí)，發(fā)現(xiàn)p84/p91和p113基因編碼的蛋白存在SH2結(jié)構(gòu)域，并大膽猜想SH2結(jié)構(gòu)域?qū)⒓?xì)胞外的干擾素信號(hào)從被激活的受體傳導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞核。1992年，傅新元以唯一作者的身份將這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在Cell雜志上。令人遺憾的是，傅新元和其導(dǎo)師JamesDarnell都在文章中明確指出存在一個(gè)酪氨酸激酶是ISGF-3進(jìn)行磷酸化的關(guān)鍵激酶，但是他們沒(méi)有確定這個(gè)蛋白激酶。而令人感到驚奇的是，這一關(guān)鍵激酶的鑒定文章，恰好就與傅新元的論文發(fā)表在同一期Cell雜志上。傅新元還提出了“TranscriptionalActivatorandSignalTransducer”的概念，Darnell將其演化為“SignalTransducerandActivatorofTranscription”，即STAT。p84/p91和p113基因編碼的蛋白被正式命名為STAT1和STAT2。1993年，JAK-STAT信號(hào)通路被Science雜志評(píng)為世界十大重大科學(xué)成就之一，從此一個(gè)全新的領(lǐng)域誕生了。SignalChemBiotech（義翹神州全資子公司）提供涵蓋高活性JAK激酶、STAT蛋白、抑制劑、抗體及底物的全方位產(chǎn)品組合，有力支持JAK-STAT通路研究及藥物開發(fā)。拼圖一：JAK-STAT信號(hào)“全家桶”JAK-STAT通路始于干擾素（IFN）的研究。上世紀(jì)九十年代，JamesDarnell團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ISGF-3轉(zhuǎn)錄激活因子，能夠刺激干擾素-α，后來(lái)確認(rèn)ISGF-3包含STAT1、STAT2和IRF9，即SATA蛋白家族。幾乎同時(shí)，Wilks團(tuán)隊(duì)鑒定出具有特定激酶和假激酶結(jié)構(gòu)域的酪氨酸激酶，即JAK激酶家族。1992年，Velazquez等人發(fā)現(xiàn)TYK2是IFN-α/β信號(hào)通路中不可或缺的蛋白，標(biāo)志著JAKs與STATs之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)。Müller等人進(jìn)一步證實(shí)JAK磷酸化STAT實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。隨后，對(duì)JAK-STAT通路的研究不斷拓展深入。目前已證實(shí)，JAK-STAT通路是一種進(jìn)化上保守的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，負(fù)責(zé)將細(xì)胞外的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)部，進(jìn)而傳遞到細(xì)胞核內(nèi)，完成調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄水平的目的。JAK-STAT通路“全家福”包括50多個(gè)配體（如干擾素、白介素、生長(zhǎng)因子等）、30多個(gè)受體、4個(gè)Janus激酶JAK以及6個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子STAT蛋白。激活JAK-STAT信號(hào)通路的細(xì)胞因子及其它蛋白受體（源自文獻(xiàn)：doi:10.3389/fbioe.2023.1110765）拼圖二：破解結(jié)構(gòu)迷霧，方得JAK真面目Janus激酶（JAK）在此信號(hào)通路中起著承上啟下的關(guān)鍵銜接作用。JAK家族共有四個(gè)成員：JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，與細(xì)胞因子受體中的兩個(gè)不同保守結(jié)構(gòu)片段Box1和Box2相互作用。JAKs均由7個(gè)JAK同源結(jié)構(gòu)域JH構(gòu)成，包括FERM、SH2、假激酶Pseudo-kinase及激酶4種結(jié)構(gòu)域。前期研究缺乏激活狀態(tài)下的全長(zhǎng)JAK蛋白結(jié)構(gòu)信息。直到2021年，科學(xué)家才獲得與細(xì)胞因子受體細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域結(jié)合的全長(zhǎng)JAK13.6?分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。全長(zhǎng)結(jié)構(gòu)有助于揭示受體胞外域二聚化使胞內(nèi)JAK單體進(jìn)入合適位置和完成激活的機(jī)制，以及闡述JAK基因突變導(dǎo)致功能異常的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。全長(zhǎng)結(jié)構(gòu)揭開了假激酶結(jié)構(gòu)域的調(diào)控之謎，為開發(fā)變構(gòu)抑制劑提供全新方向，如針對(duì)JAK2V617F突變的變構(gòu)藥物，有望解決傳統(tǒng)激酶抑制劑的耐藥性問(wèn)題。JAK激酶結(jié)構(gòu)（源自文獻(xiàn)：doi:10.1186/s12943-023-01929-1,doi:10.1016/j.cell.2022.09.023）拼圖三：經(jīng)典JAK-STAT通路激活與負(fù)調(diào)控經(jīng)典JAK-STAT信號(hào)通路的激活主要包括以下五步：細(xì)胞因子與受體結(jié)合，引發(fā)受體二聚化；JAK激酶被激活，對(duì)受體酪氨酸殘基進(jìn)行磷酸化，形成STAT?？课稽c(diǎn)；在?？课稽c(diǎn)，STAT被JAK磷酸化，并結(jié)合到磷酸化的受體上；進(jìn)一步磷酸化后STSA與受體解離，通過(guò)SH2結(jié)構(gòu)域-磷酸酪氨酸相互作用形成同源二聚體或異源二聚體；STAT二聚體進(jìn)入細(xì)胞核，并結(jié)合到特定的DNA序列，調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄，引發(fā)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)，如炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖、免疫調(diào)控等。JAK-STAT通路激活與負(fù)調(diào)控機(jī)制（源自文獻(xiàn)：doi:10.1186/s12943-023-01929-1）JAK-STAT信號(hào)通路的激活受到許多調(diào)節(jié)因子抑制，主要有：細(xì)胞因子信號(hào)傳導(dǎo)抑制劑CIS/SOCS、激活STAT的蛋白抑制劑PIAS及蛋白酪氨酸磷酸酶PTP。JAK-STAT通路負(fù)調(diào)控主要蛋白家族：CIS/SOCS家族是JAK-STAT通路主要的負(fù)調(diào)控蛋白，包括CIS和SOCS1-7。這些蛋白在STAT二聚體進(jìn)入細(xì)胞核后被誘導(dǎo)表達(dá)，通過(guò)多種方式抑制JAK-STAT通路。比如SOCS蛋白通過(guò)其SH2機(jī)構(gòu)域和受體上的磷酸酪氨酸殘基結(jié)合，阻止STAT蛋白的招募。SOCS還可直接與JAK或其受體結(jié)合，抑制JAK的激酶活性。SOCS蛋白的C端SOCS盒結(jié)構(gòu)域能夠與延伸蛋白B/C復(fù)合物相互作用，并與cullin5結(jié)合，形成E3泛素連接酶復(fù)合物，阻斷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。PIAS家族主要與STAT二聚體相互作用，抑制STAT與DNA結(jié)合，從而阻斷JAK-STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。PIAS家族成員由PIAS1-4及4種剪接變體構(gòu)成。PIAS1和PIAS3通過(guò)阻斷STAT與DNA的結(jié)合活性來(lái)阻斷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。PIAS家族作為SUMOE3連接酶，調(diào)控STAT蛋白的活性和穩(wěn)定性。PIAS蛋白還通過(guò)募集共抑制分子和組蛋白脫乙酰酶、螯合轉(zhuǎn)錄因子等機(jī)制阻止STAT與DNA結(jié)合。PIAS蛋白缺失導(dǎo)致JAK-STAT信號(hào)活性升高，促進(jìn)血液腫瘤的形成。PTPs通過(guò)其SH結(jié)構(gòu)域與信號(hào)分子、活化的受體以及JAK激酶結(jié)合，促使底物去磷酸化，從而抑制JAK/STAT信號(hào)傳導(dǎo)。如SHP-1可與IFN-α受體結(jié)合，SHP-2負(fù)調(diào)節(jié)IFN對(duì)STAT過(guò)度激活的細(xì)胞毒性作用，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，但其在JAK-STAT信號(hào)通路中的具體作用尚待深入研究。拼圖四：多通路串聯(lián)調(diào)控生命活動(dòng)JAK-STAT信號(hào)通路各成員間與其他信號(hào)通路的相互串?dāng)_更加復(fù)雜，發(fā)生在多個(gè)層面，構(gòu)織成一個(gè)“麻團(tuán)”。這些串?dāng)_涉及受體、JAK、STAT和基因轉(zhuǎn)錄等多種分子，相關(guān)通路有TGF-β、MAPK、Notch、PI3K/AKT/mTOR、NF-κB等。這些信號(hào)通路對(duì)調(diào)控多能性、細(xì)胞分化、免疫反應(yīng)、血管生成及腫瘤發(fā)展等至關(guān)重要。不同信號(hào)蛋白激活多種JAK-STAT相關(guān)通路（源自文獻(xiàn)：doi:10.3389/fbioe.2023.1110765）拼圖五：JAK-STAT通路與免疫調(diào)節(jié)多種細(xì)胞因子與JAK-STAT信號(hào)通路相互作用，在免疫細(xì)胞分化、發(fā)育中發(fā)揮重要作用。干擾素IFN和白介素IL-12通過(guò)STAT1和STAT4驅(qū)動(dòng)T-bet基因表達(dá)，調(diào)控Th1細(xì)胞分化。IL-4通過(guò)STAT6上調(diào)GATA3基因表達(dá)，進(jìn)而激活Th2細(xì)胞分化。IL-6和TGF在Th17細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用。不同細(xì)胞因子刺激JAK-STAT信號(hào)通路在免疫調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮復(fù)雜的功能。如干擾素觸發(fā)STAT信號(hào)，識(shí)別癌細(xì)胞，IL-6-STAT3信號(hào)觸發(fā)免疫逃逸。JAK-STAT信號(hào)通路通過(guò)響應(yīng)IL-2、IL-15、IFN等，誘導(dǎo)NK細(xì)胞活化，驅(qū)動(dòng)抗腫瘤免疫監(jiān)視。JAK-STAT信號(hào)通路與多種自身免疫性疾病的發(fā)病機(jī)制相關(guān)，如IL-6誘導(dǎo)STAT3磷酸化，上調(diào)Th17細(xì)胞的分化，從而促進(jìn)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。JAK-STAT信號(hào)通路與免疫調(diào)節(jié)（源自文獻(xiàn)：doi:10.1038/s41392-023-01468-7）拼圖六：靶向治療的“三頭六臂”JAK-STAT信號(hào)通路已成為癌癥和自身免疫性疾病藥物開發(fā)的重要靶點(diǎn)。在癌癥治療中，靶向JAK-STAT通路，可以抑制腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、血管生成，在自身免疫性疾病中，它們可以減輕炎癥和免疫細(xì)胞的異?；罨?。根據(jù)其影響信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程的作用機(jī)制，主要有細(xì)胞因子或受體抗體、JAK抑制劑、STAT抑制劑等3類，其它如多肽抑制劑、寡核苷酸、小干擾RNA等。如前文所述，大多數(shù)細(xì)胞因子參與了JAK-STAT信號(hào)通路，因此靶向特定細(xì)胞因子或其受體，阻斷其與JAK-STAT通路的相互作用，抑制相關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)，已用于多種疾病的治療干預(yù)措施。種類有工程重組細(xì)胞因子、細(xì)胞因子或受體抗體，目前有一種新型藥物正在開發(fā)中，可提高細(xì)胞因子“有效載荷”，即細(xì)胞因子-抗體融合物。靶向JAK-STAT通路治療策略（源自文獻(xiàn)：doi:10.1038/s41392-021-00791-1）拼圖七：潛力無(wú)限的JAK抑制劑JAK抑制劑是這類藥物中最為矚目的。目前，全球已有10多款JAK小分子抑制劑獲批上市，用于治療骨髓增生性疾病、移植抗宿主病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、銀屑病關(guān)節(jié)炎、炎癥性腸病等。JAK抑制劑主要通過(guò)兩種機(jī)制達(dá)到治療效果。一是產(chǎn)生免疫抑制，減少由JAK-STAT通路介導(dǎo)的血清中促炎細(xì)胞因子的表達(dá)；二是識(shí)別并抑制JAK突變體的表達(dá)。獲批上市的JAK抑制劑功能（源自文獻(xiàn)：doi:10.1038/s41584-024-01153-1）JAK抑制劑存在相似的不良反應(yīng)，如感染、血脂異常、血細(xì)胞減少等。研究發(fā)現(xiàn)，不良反應(yīng)與特定細(xì)胞因子相關(guān)。選擇性JAK抑制劑的開發(fā)，干擾較少細(xì)胞因子的功能，能夠增加特異性，減少不良反應(yīng)。為減少不良反應(yīng)以及提高JAK抑制劑的療效，研究人員正在開發(fā)選擇性更高的JAK抑制劑。未來(lái)可能會(huì)開發(fā)出根據(jù)疾病或疾病的某一階段及相關(guān)的細(xì)胞因子，精準(zhǔn)的定制治療和聯(lián)合治療。義翹神州精選試劑義翹神州全資子公司SignalChemBiotech提供涵蓋高活性JAK激酶、STAT蛋白、抑制劑、抗體及底物的全方位產(chǎn)品組合。義翹神州深耕細(xì)胞因子15年，成功開發(fā)250個(gè)分子、900多種重組細(xì)胞因子產(chǎn)品，涵蓋干擾素、白介素、生長(zhǎng)因子、趨化因子等。除了研究級(jí)細(xì)胞因子，還開發(fā)一系列質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠的GMP級(jí)細(xì)胞因子，全力支持JAK-STAT通路研究及藥物開發(fā)。義翹神州精選JAK激酶產(chǎn)品列表貨號(hào)分子代表性比活性代表性純度J01-11GJAK110nmol/min/mg>90%J01-12BGJAK1(R724H)28nmol/min/mg>90%J02-11GJAK298nmol/min/mg>90%J03-11GJAK3113nmol/min/mg>90%T21-11GTYK11.7nmol/min/mg>90%義翹神州精選STAT蛋白產(chǎn)品列表貨號(hào)分子標(biāo)簽代表性純度S52-50GSTAT1alphaN-GST>90%12766-H20BSTAT1alphaN-GST&His>92%S53-54GSTAT2N-GST>80%S54-54GSTAT3N-GST>90%S55-54HSTAT4N-His>95%S56-54HSTAT5AN-His>90%S56-54BGSTAT5BN-GST>95%S57-30GSTAT6N-His>90%義翹神州精選GMP級(jí)細(xì)胞因子產(chǎn)品（部分）貨號(hào)細(xì)胞因子內(nèi)毒素純度及活性GMP-11848-HNAEIL-2<0.005≥95%,ActiveGMP-10395-HNAEIL-6<0.005≥95%,ActiveGMP-11725-HNAEIFN-γ<0.005≥95%,ActiveGMP-10452-HNAHOSM<0.005≥95%,ActiveGMP-CT011-H08HIL-12<0.005≥95%,ActiveGMP-10015-HNAHGM-CSF<0.005≥95%,Active免責(zé)聲明：義翹神州內(nèi)容團(tuán)隊(duì)僅是分享和解讀公開的研究論文及其發(fā)現(xiàn)，專注于介紹全球生物醫(yī)藥研究新進(jìn)展。本文僅作信息交流用，文中觀點(diǎn)不代表義翹神州立場(chǎng)。隨著對(duì)疾病機(jī)制研究的深入，新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論可能會(huì)修改或推翻文中的描述，還請(qǐng)大家理解。本文不屬于治療方案推薦，如需獲得治療方案指導(dǎo)，請(qǐng)前往正規(guī)醫(yī)院就診。本司產(chǎn)品目前僅可用于科學(xué)研究，不可用于臨床治療。【參考文獻(xiàn)】Xin-YuanFu.AtranscriptionfactorwithSH2andSH3domainsisdirectlyactivatedbyaninterferonα-inducedcytoplasmicproteintyrosinekinase(s).Cell,1992.doi:10.1016/0092-8674(92)90106-mLauraVelazquezetal.Aproteintyrosinekinaseintheinterferonαβsignalingpathway.Cell,1992./10.1016/0092-8674(92)90105-LDarnell,J.E.,Kerr,I.M.&Stark,G.R.Jak-STATpathwaysandtranscriptionalactivationinresponsetoIFNsandotherextracellularsignalingproteins.Science,1994.DOI:10.1126/science.819745PhilipsRL,atal.TheJAK-STATpathwayat30:Muchlearned,muchmoretodo.Cell.2022.doi:10.1016/j.cell.2022.09.023HuQ,etal.JAK/STATpathway:Extracellularsignals,diseases,immunity,an