定義
細胞如何對各種胞外調節(jié)信號作出特異性應答，即細胞信號傳導機制的研究，是近年來的一個研究熱點。目前已知大多數(shù)細胞中存在兩條傳導細胞因子刺激信號的基本途徑：Ras-MAPK途徑和JAK-STAT途徑。前者在研究多種生長因子的信號傳導中發(fā)現(xiàn)，可能主要與傳遞細胞增殖信號有關；后者發(fā)現(xiàn)于干擾素的信號傳導研究中，現(xiàn)在已知在幾乎所有細胞因子信號的傳遞中，該途徑都發(fā)揮著重要的作用[1，2]。JAK即Janus Kinase（兩面神激酶），是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶（PTK）。該族成員有7個同源區(qū)（JH1~7），其中JH1區(qū)為激酶區(qū)，JH2區(qū)為偽激酶區(qū)。與其它PTK不同，JAK內(nèi)無Src同源區(qū)2(SH2）結構，因其既能催化與之相連的細胞因子受體發(fā)生酪氨酸磷酸化，又能磷酸化多種含特定SH2區(qū)的信號分子從而使其激活，故稱之為Janus-羅馬神話中前后各有一張臉的門神。STAT即Signal transducers and activators of transcription（信號傳導及轉錄激活因子），含有SH2和SH3結構域，可與特定的含磷酸化酪氨酸的肽段結合。當STAT被磷酸化后，發(fā)生聚合成為活化的轉錄激活因子形式，進入胞核內(nèi)與靶基因結合，促進其轉錄?，F(xiàn)在已克隆成功4種JAK(JAK1~3和Tyk2）與6種STAT(Stat1~6）。
模式
該途徑的基本作用模式為：配體誘發(fā)相應受體形成二聚體或寡聚體，引起與受體結合的JAK相互作用，發(fā)生自身酪氨酸磷酸化而激活；同時催化受體發(fā)生酪氨酸磷酸化，繼而以這些磷酸化的酪氨酸為“錨點”，招引多種含特定SH2區(qū)的信號分子，并將其活化，通過這些分子的作用使胞外信號傳入胞核內(nèi)。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)該途徑并非這樣簡單，其調控機制精細多樣，與別的信號傳導途徑有錯綜復雜的聯(lián)系。這方面的工作雖開始不久，但取得的成果已使人們對信號傳導的認識上升到了一個新的層次。
1.MAPK與JAK-STAT途徑
MAPK即絲裂原激活的蛋白激酶（Mitogen activated protein kinase），是Ras途徑中的下游信號分子，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，可激活C-Fos、C-Jun等轉錄調節(jié)因子，形成AP-1作用于核內(nèi)，激活特定的基因從而傳遞信號。MAPK的激活需要其分子中特定的Tyr殘基和Ser殘基同時被磷酸化。以前認為，Ras途徑與JAK途徑雖共存于細胞因子的信號傳導中，但互相獨立。前者與Ⅰ型細胞因子受體C-端序列有關，后者則結合在受體胞漿區(qū)近膜端[4，5]。受體C-端序列缺失則不能激活Ras途徑，而JAK-STAT途徑不受影響。
最近的發(fā)現(xiàn)表明，MAPK可能處于調節(jié)這兩條途徑的關鍵位置。開始時發(fā)現(xiàn)JAK的激活伴有MAPK的活化，且僅有JAK激活不足以使STAT最大程度地發(fā)揮其轉錄激活活性。接著證實，Stat3在傳導信號時不僅發(fā)生了Tyr殘基磷酸化，同時還有Ser殘基磷酸化，且磷酸化的Ser殘基為與DNA上的調節(jié)區(qū)結合所必需；并證明STAT蛋白上存在可被MAPK識別且磷酸化的特異性序列。與Stat3類似，Stat1也必需有Ser殘基磷酸化才能完全活化。含這一Ser殘基的序列正是上述可被MAPK識別且磷酸化的特異性序列，并在體外成功的用MAPK使含此序列的多肽Ser殘基磷酸化。
體外實驗表明，在經(jīng)Ⅰ型IFN刺激過的細胞中，MAPK與INFR-α鏈相互作用而被活化，隨之與Stat1相結合并促進其活性。當MAPK的作用被阻斷時，STAT促進基因轉錄的活性降低。從以上現(xiàn)象可推論：STAT是MAPK的天然底物之一，細胞中存在著MAPK-STAT這一信號傳導的旁路或調節(jié)方式。新近發(fā)現(xiàn)生長激素刺激的雄鼠肝細胞中，Stat5絲氨酸磷酸化后發(fā)揮與以前不同的轉錄調節(jié)活性，這一效應很可能也是經(jīng)MAPK介導。
目前對JAK如何活化MAPK仍不清楚，可能是直接作用，也可能是通過活化Ras-MAPK途徑。Ⅰ型細胞因子受體如何活化Ras也不清楚，一般認為應與含PTK活性的生長因子受體類似。后者先誘導Shc磷酸化，再通過Shc與Grb2的SH-2、SH-3區(qū)募集Ras，并通過Shc與mSos活化Ras。已知IL-2、IL-3、IL-5、IL-6和EPO等都能誘導Shc磷酸化，而如干擾JAK與受體復合物的結合則使Shc磷酸化明顯降低。近來發(fā)現(xiàn)，EPO的這種作用不依賴EPOR與Shc的結合，而是經(jīng)Shc的SH-2區(qū)與JAK2上磷酸化的酪氨酸殘基相結合。已證實JAK2有使Shc磷酸化的功能，但是否有其它磷酸化蛋白參與Shc的活化與募集仍不清楚。
2.SH-PTP1的負反饋調節(jié)作用
SH-PTP1即含SH2區(qū)的酪氨酸磷酸酶（PTPase1）。PTPase分為跨膜型與非跨膜型兩種，SH-PTP1和2都屬于后者。SH-PTP2參與受體型PTK介導的信號傳遞，可看作是一種正的信號傳遞分子；SH-PTP1則主要對PTK介導的信號傳遞起抑制作用。與其它廣泛表達的酪氨酸磷酸酶不同，SH-PTP1（又稱PTP1C、HCP或SHP）主要表達于造血細胞中。起初發(fā)現(xiàn)SH-PTP1在IL-3作用后與IL-3Rβ鏈結合，經(jīng)SH-PTP1反義RNA作用后，IL-3Rβ鏈磷酸化水平升高。不能正常表達SH-PTP1的Motheaten小鼠表現(xiàn)出多種造血異常及免疫異常，其CFU-E前體細胞對EPO高度敏感，常伴有系統(tǒng)性自身免疫性疾病。
已知IL-3和EPO都主要通過JAK2傳導信號[3，4]。不久前證實，EPOR上第429位酪氨酸在EPO作用后被JAK磷酸化，從而具備了結合SH-PTP1并使之活化的能力。這一作用的特異性取決于該殘基周圍特定的氨基酸序列，即PY-Leu-Tyr-Leu-Val-Val，含有這段序列的11肽即足以結合并活化SH-PTP1。EPOR上此種酪氨酸的缺失可使細胞對EPO的敏感性升高5到10倍。EPOR野生型的細胞、JAK2的酪氨酸磷酸化水平在EPO作用后很快恢復正常，而表達上述第429位酪氨酸突變的EPOR的細胞，這一指標長時間保持在高水平。IL-3R中含有與EPOR中SH-PTP1結合位點相似的序列，提示在IL-3的信號傳導中可能存在類似的負反饋調節(jié)機制。
與之類似，當IFN-α作用后，IFN-α受體可與SH-PTP1可逆性結合。同樣，接受這種刺激的Moptheaten小鼠巨噬細胞中，JAK1和Stat1酪氨酸磷酸化水平明顯高于正常，而對Ⅰ型IFN信號傳導同樣重要的TYK2，Stat2活化水平則無明顯變化。已知在Ⅰ型IFN信號傳導中，JAK1特異性的活化Stat1，而Tyk1特異性的活化Stat2。因此可認為，上述現(xiàn)象是SH-PTP1選擇性作用于JAK1所致，其具體機制值得進一步研究。最近發(fā)現(xiàn)，SH-PTP1的兩個SH2區(qū)中，N-端SH2區(qū)可與其分子內(nèi)的酶活性區(qū)結合而起自身抑制作用，當此區(qū)與其它分子結合時，SH-PTP1即被激活；而C-端的SH2區(qū)對其活性無明顯影響，只參與其募集過程。
3.JAK和/或STAT的功能
STATs調節(jié)的基因范圍很廣：IFN調控基因的表達需要Stat1和2；IL-6誘導的急性期反應基因的表達需要Stat3；Stat5介導催乳素誘導的多種基因表達；Stat6為IL-4誘導的免疫球蛋白類別轉換和MHCⅡ類抗原與免疫球蛋白受體等的上調所必需。目前看來，Stats與細胞因子引起的增殖反應無關，IL-2、IL-4和IL-6都可使突變型受體不激活STAT而引發(fā)增殖反應。
有人發(fā)現(xiàn)，果蠅中JAK同源體的突變可導致其細胞轉化。HTLV-1感染引起的細胞轉化據(jù)認為也是JAK-STAT的激活所致，可能為直接或間接地以一種類似受體介導的方式激活該途徑。在v-src轉化的細胞中，觀察到有組成性的Stat-3酪氨酸磷酸化，這一效應是否需JAK介導尚不清楚。這種細胞中可觀察到有JAK家族激酶活化，但在其它系統(tǒng)中觀察到v-src可直接活化Stat-3。v-ab1轉化的小鼠前B細胞中，JAK1、JAK3表現(xiàn)出組成性激酶活性，且可激活通常是由IL-4、IL-7誘導的STAT活性，而此時并無此兩種IL存在。以上證據(jù)提示，JAK和/或STATs激活可能與細胞轉化有關。EGF、CSF-1和PDGF均能誘導STAT活化，在這些系統(tǒng)中STAT的作用還不清楚。近來發(fā)現(xiàn)EGF激活Stat-1、3不依賴JAK，而是經(jīng)EGFR內(nèi)的激酶區(qū)起作用，盡管這時有JAK1活化。目前看來，EGF的生長信號主要由Ras途徑傳導。STAT對c-fos等已知早期基因的激活作用不大，提示可能存在其它未知的靶基因。
已知JAK能直接或間接磷酸化Vav，PLC-β1等其它信號分子，從而激活其它信號傳導通路。IL-4誘導的胰島素受體底物（IRS)1、2的磷酸化也需JAK的活化。而經(jīng)其相應的受體型酪氨酸蛋白激酶傳導信號的細胞因子，如EGF、PDGF，CSF-1等，也能誘導STAT活化。綜上所述，可見JAK和STAT除了共同構成JAK-STAT途徑傳導信號外，各有其相對獨立的作用。
4.其它調節(jié)JAK/STAT途徑的分子
IFN-γ主要通過誘導Stat-1同源二聚體（又稱IFN-γ反應因子，簡稱GAF）形成而傳導信號，已知IFN-γ可抑制Th2細胞的增生而對Th1細胞無此作用。近來發(fā)現(xiàn)，這是因為Th1細胞缺乏IFN-γ受體的β鏈（又稱輔助因子1/AF-1），不能誘導GAF形成之故。上文提到，Ⅰ型IFN誘導GAF形成受SH-PTP1的選擇性調節(jié)，提示體內(nèi)JAK-STAT途徑受到十分精細的調節(jié)。Th1/Th2的失衡可導致多種疾病，這些發(fā)現(xiàn)使我們有可能在分子水平上理解這種失衡，并對其進行干預。
最近研究發(fā)現(xiàn)，腺苷酸環(huán)化酶激活劑forskolin可明顯抑制IFN誘導的IFNR、JAK1、TRK2和Stat1、Stat2的磷酸化，以及與IFN反應元件結合的復合物的形成；而forskolin經(jīng)修飾失去腺苷酸環(huán)化酶激活活性后，對JAK-STAT途徑不起任何作用，提示蛋白激酶A（需cAMP以激活）可能對JAK-STAT途徑起調節(jié)作用。
5.研究展望
目前對JAK的結構仍未完全搞清。除了活化位點外，還有數(shù)個未確定的磷酸化位點，它們可能參與募集其它信號分子。JAK與受體近膜區(qū)結合的功能域還未確定，JAK同源區(qū)和偽激酶區(qū)的功能尚待研究。關于STAT也有許多問題沒有搞清：如STAT多聚體怎樣轉入核內(nèi)，與STAT同屬一類的IRF-1、ICSBP等是否與其它STAT成員結合而發(fā)揮功能等。各種不同的JAK和STAT基因敲除（gene knock out）小鼠將有助于解答這些問題。
此外，JAK和STAT與疾病的關系及其應用研究，也是一個很吸引人的領域。這方面已發(fā)現(xiàn)一例先天性JAK3缺乏的患兒，其癥狀類似于性聯(lián)重癥聯(lián)合免疫缺陷病（XSCID），但為常染色體隱性遺傳。急性白血病患者外周血細胞中，STAT相關性轉錄因子組成性活化，可能是白血病的病因之一。此外，可能還存在機理更復雜的相關疾病，有待進一步研究。
總之，對JAK-STAT途徑的研究在解答以往疑問的同時，引出了許多更為復雜的問題。此領域的研究，尤其是在JAK-STAT與其它信號傳導途徑之間的關系方面，必將有助于更全面深入地理解信號傳導這一重大的生命之謎。
