JAK/STAT信号通路被认为是细胞功能中的中心通信节点之一。在JAK/STAT信号通路中已鉴定出50多种细胞因子和生长因子，如激素、干扰素（IFN）、白细胞介素（ILs）和集落刺激因子。JAK/STAT介导的下游涉及造血、免疫适应、组织修复、炎症、细胞凋亡和脂肪生成。JAK/STAT成分的缺失或突变与人类的许多疾病有关。JAK与细胞因子受体非共价结合，介导受体的酪氨酸磷酸化，并募集一种或多种STAT蛋白。酪氨酸磷酸化STAT二聚化，然后通过核膜运输到细胞核，以调节特定基因。尽管STAT可以被部分重叠的细胞因子激活，但不同的STAT具有非重复的生物学效应。
JAK/STAT信号通路深刻影响了最近对人类健康和疾病的理解。许多论文报道了这种途径在恶性肿瘤和自身免疫性疾病中的重要性。因此，抑制JAK/STAT途径对于治疗各种疾病是有希望的。目前，许多JAK抑制剂已在许多临床环境中取得疗效，目前正在研究更多药物。
JAK/STAT信号通路的发现
JAK/STAT的家族成员
🍓JAK家族
🍓STAT家族
JAK/STAT信号通路的激活和调节
🍓经典通路
🍓非经典通路
🍓正调控
🍓负调控
JAK/STAT和其他通路之间的信号串扰
人类疾病中的JAK/STAT
抑制剂
结论和展望
Immunoway相关产品
JAK/STAT信号通路的发现
JAK/STAT信号通路是在研究干扰素如何导致转录因子激活时首次发现的。1990年，发现转录激活因子干扰素刺激基因因子3（ISGF3）是一种对干扰素-α有反应的转录因子，由多条相互作用的多肽链组成 (48, 84, 91,113 kDa)。1992年，Fu报道了ISGF3的113、91和84kD（ISGF3α）蛋白含有保守的SH2和SH3结构域。此外，特异性IFN-α诱导的细胞质酪氨酸激酶可以磷酸化并激活ISGF3α，进而提出了IFN-α诱导的信号转导的直接效应模型，揭示了JAK/STAT信号传导途径的信号传导模式。后来的研究发现ISGF3由STAT1、STAT2和IRF9组成。此后，在1993年至1995年间，由几个实验室发现了STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5和STAT6。
JAK的发现发生在1989年至1994年。1989年，Wilks等人鉴定出酪氨酸激酶具有可识别的激酶结构域和假激酶结构域。1991年，他们发现了第二种具有这种特征的酪氨酸激酶。Wilks将其称为JAK1和JAK2。另外两种JAKs，酪氨酸激酶2（TYK2）和JAK3，于1990年和1994年被鉴定。JAKs和STATs之间的联系始于1992年，当时Velazquez等人发现TYK2是IFN-α/β信号通路中的一种必需蛋白。后来，Müller等人发现，IFN依赖性信号传导需要JAK来磷酸化STAT。因此，在20世纪80年代末至90年代初，完成了JAK/STAT信号通路的组成部分和概述。对JAK/STAT途径的更多蛋白质和功能的研究一直持续到现在，使得JAK/SSTAT景观更加丰富。
JAK/STAT通路的家族成员
JAK/STAT信号通路在进化上是保守的。它由配体-受体复合物、JAK和STAT组成。JAK家族有4个成员：JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。
STAT家族包括7个成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5和STAT6。
以下，按家族介绍它们。
JAK家族由非受体酪氨酸蛋白激酶组成（图1）。当细胞因子与其受体结合时，酪氨酸激酶被激活并传递调节信号。JAK家族有四个主要成员，JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。JAK3仅在骨髓和淋巴系统以及内皮细胞和血管平滑肌细胞中表达，其他成员在几乎所有组织中表达。JAK均由七个同源结构域组成（JAK同源结构域，JH）。从羧基末端开始，JH1是第一个JH，称为激酶结构域，由大约250个氨基酸残基组成。JH1编码构成磷酸化底物的激酶结构域的激酶蛋白；JH2是PK结构域。JH2在结构上类似于激酶结构域，但没有激酶活性，其主要功能是调节激酶结构域的活性。假激酶结构域参与JAK和STAT的相互作用，PK结构域还可以通过与激酶结构域结合来抑制Tyr激酶活性；JH3和JH4的一半构成Src同源结构域2（SH2），JH4、JH5、JH6和JH7的一半组合构成FERM结构域，SH2和FERM结构主要调节JAK和细胞因子受体膜近端box1/2区域的结合。
图1 JAK的结构
Y1038/Y1039在JAK1中是一种保守的酪氨酸，构成激活环的重要部分。每个JAK的SH1结构域中双酪氨酸的磷酸化导致底物结合的更有利构象。JAK1在组织中广泛表达，可磷酸化所有STAT。JAK1被四个细胞因子受体家族磷酸化：（1）具有γc受体亚基、IL-2受体、IL-4受体、IL-7受体、IL-9受体和IL-15受体的细胞因子受体；（2）II类细胞因子受体包括IFNα/β受体、IFN-γ受体和IL-10家族细胞因子受体；和（3）具有gp130亚基的受体，包括IL-6受体、IL-11受体、睫状神经营养因子（CNTF）受体、抑癌素M（OSM）受体、白血病抑制因子（LIF）受体和心肌营养素-1（CT-1）受体。JAK1被IL-3、IL-5、IL-7、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）或粒细胞集落刺激因素（G-CSF）激活后可促进机体造血功能。JAK1−/− 小鼠围产期死亡，分别表现出由LIF和IL-7信号缺陷引起的神经疾病和严重淋巴细胞损伤。
JAK2中保守的酪氨酸位点为Y1007和Y1008。与JAK1相似，JAK2也可被gp130受体家族和II类细胞因子受体家族成员磷酸化。它还参与IL-3受体家族（IL-3R、IL-5R和GM-CSF受体）和单链受体[如促红细胞生成素受体（EPO）、生长激素（GH）受体、催乳素受体和血小板生成素（TPO）受体]的信号转导。JAK2敲除小鼠在妊娠约12天时死亡，主要是由于EPO介导的造血功能受损。因此，JAK2敲除小鼠和EPO敲除小鼠的胚胎致死率非常相似。JAK2敲除小鼠表现出IFN-γ相关生物反应的特异性缺陷，但它们对IFN-α或IFN-β无反应。
JAK3中的Y980/Y98是保守的磷酸化位点。JAK3主要参与IL-2受体、IL-4受体、IL-7受体、IL-9受体、IL-15受体和IL-21受体的信号转导。这些受体是带有γ受体链的γC受体。JAK3敲除小鼠由于缺乏γC信号而导致淋巴细胞产生存在缺陷。这些小鼠极有可能患有严重的联合免疫缺陷，但JAK3敲除小鼠在没有特定病原体的情况下仍能存活。IL-2、IL-4和IL-7通过JAK3传递生长信号，JAK3缺陷小鼠的自身反应性T细胞被永久激活。缺乏JAK3可能导致常染色体隐性联合免疫缺陷，这表明JAK3在T细胞的阴性选择和外周T细胞正常表型和功能的维持中起着重要的调节作用。
Tyk2中的Y1054/Y1055是保守的磷酸化位点。Tyk2是第一个被发现的JAK家族成员，最初被发现能够传递IFN-α/β信号。后来发现，Tyk2也参与IL-6、IL-10、IL-12、IL-13、和IL-23信号传导。有趣的是，Tyk2敲除小鼠并没有完全丧失细胞因子信号传导，并且在IFN-α、IFN-β和IL-12信号转导中表现出部分缺陷。Tyk2缺陷小鼠对少量IFN-α反应不足，增加IFN-α的量可以恢复信号转导。因此，Tyk2似乎不是I型干扰素信号转导所必需的。此外，Tyk2调节小鼠Th1和Th2细胞的平衡，并调节Th2细胞介导的过敏反应。人类Tyk2缺乏症的症状与小鼠有些不同。在临床上，高免疫球蛋白E综合征患者存在IFN-α、IL-12、IL-6和IL-10的信号转导缺陷，可以通过Tyk2基因转导治疗来缓解。在Tyk2缺乏症患者中，即使用高浓度IFN-α治疗，也无法检测到STAT的磷酸化。由于干扰素介导的抗微生物能力丧失，Tyk2缺陷的人类发展为严重的过敏表型。这些研究表明，Tyk2在人类先天和后天免疫中起着必要的作用（表1）。
表1活化的JAK家族相关细胞因子受体和JAK−/−小鼠表型
JAKs | Cytokine-receptor signaling | Phenotype |
JAK1 | (1) Cytokine of the γc receptor subunit (IL-2R, IL-4R, IL-7R, IL-9R, and IL-15R) IL-21R | (1) Death during the perinatal period. |
JAK2 | (1) Gp130 receptor family | (1) Deficiency of primordial red blood cells and hepatic red blood cells leads to embryonic death. |
JAK3 | All of γC receptors: (IL-2R, IL-4R, IL-7R, IL-9R, IL-15R, IL-21R) | (1) Insufficient γC signal leads to defective lymphocyte production, which may cause SCID. |
Tyk2 | IFN-α/β, IL-6R family, IL-10R family, IL-12R, Il-13R, IL-23R | (1) There are defects in the signal conduction of IFN-Is and IL-12. |
STAT家族由STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT6b和STAT6组成（图2）。STAT家族成员由750–900个氨基酸组成。从N端到C端，有N端结构域和线圈、螺旋结构域、DNA结合结构域、连接结构域、SH2结构域和转录激活结构域。
六个结构域调节STAT的不同功能。（1）N-末端结构域促进STAT二聚体的形成，这使得它们能够随后与转录因子结合。研究还表明，N-末端还可以促进STAT和转录共激活物、PIAS家族和受体的相互作用，并调节核异味。（2）螺旋结构域由潜在的动态四螺旋束组成。该结构与调节蛋白相关，并参与核进/出口过程的控制。它可以与p48/IRF9、Nmi、c-Jun、StlP等相互作用。（3）DNA连接结构域，顾名思义，在结构上将DNA结合结构域连接到SH2结构域。它参与STAT1的转录调控。（4）DNA结合域可以识别并结合靶基因调控区中的DNA序列。它还参与监控核进/出口过程。（5） STAT的SH2域与其他SH2域非常不同，但该域在STAT家族中非常保留。SH2的主要功能是识别细胞因子受体的磷酸酪氨酸。此外，SH2结构域与活化的JAK协同作用，驱动STAT的SH2结构区在磷酸化后与另一STAT单体的尾部相互作用，形成同二聚体或异二聚体。（6）转录激活域对于DNA转录元件和通过保留的丝氨酸磷酸化位点募集共激活物并调节转录至关重要。
STAT4、STAT5和STAT6可以用作泛素依赖性破坏的靶点，而STAT1、STAT2和STAT3更稳定，表明转录活性区也调节蛋白质稳定性。
图2 STAT蛋白家族的结构和磷酸化位点
STAT1有两个剪接异构体。一种是STAT1α，大小为91 kD。与其他STAT类似，STAT1α具有完整的转录激活结构域。氨基酸位置701和727是两个磷酸化位点，而STAT1β蛋白的大部分转录激活区缺失。STAT1β的大小为84kD，只有一个磷酸化位点，位于氨基酸701处。从功能上讲，STAT1β可以对IFN-I配体产生反应，但其对IFN-γ的反应是有缺陷的，可能对STAT1α产生拮抗作用。
STAT1主要由IFN激活。此外，其他细胞因子，包括IL-2、IL-6、血小板衍生生长因子、表皮生长因子（EGF）、肝细胞生长因子、肿瘤坏死因子（TNF）和血管紧张素II也可以激活STAT1。
STAT1的生物学功能包括以下几个方面：（1）抑制细胞生长。STAT1可以通过调节细胞周期相关基因的表达来抑制细胞生长，例如促进细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂P21和P27的表达或抑制c-myc的表达。STAT1还可以通过抑制细胞周期蛋白的表达来控制细胞生长。（2）调节细胞分化。STAT1的磷酸化可以调节人粒细胞和成骨细胞的分化。（3）促进细胞凋亡。STAT1的表达可以促进一系列凋亡蛋白的表达，这是STAT1促进凋亡的主要途径。例如，STAT1诱导凋亡蛋白caspase1、3和11前体的形成，并与p53蛋白相互作用。此外，STAT1还可以诱导Fas、Bcl-2和Bcl-X基因表达。（4）抑制肿瘤发生。在STAT1/p53敲除小鼠中，自发或诱导的肿瘤形成率高于仅敲除p53的小鼠，IFN-α的抗肿瘤活性消失。同时，在人类肿瘤中，如乳腺癌和肾母细胞瘤，STAT1的表达与更好的预后相关。然而，一些研究表明STAT1也可以促进与IFN无关的血液肿瘤的发生。（5）调节免疫系统。STAT1参与所有主要的组织相容性复合体（MHC）依赖性抗原呈递过程。此外，STAT1参与B细胞的早期发育。STAT1的缺失或STAT1基因的突变会增加身体对寄生虫、细菌、病毒等的敏感性。
STAT2有六个完整的结构域，但STAT2不能形成均聚物，也不能直接与DNA结合。STAT2不同于其他STAT，因为它是唯一不结合原始γ激活位点的STAT。STAT2被I型干扰素（包括IFN-α和IFN-β）激活。
STAT2的生物学功能如下。（1） 抗病毒作用。干扰素刺激基因被诱导发挥身体的抗病毒作用。（2）免疫调节。在STAT2敲除小鼠中，缺乏I型干扰素自分泌环以及T细胞和巨噬细胞的缺陷反应表明STAT2对调节免疫反应至关重要。STAT2也可能参与IFN-α诱导的记忆细胞的维持。（3）肿瘤发生的调节。STAT2在卵巢癌中高表达。此外，STAT2与卵巢癌和非小细胞肺癌的总体生存率低有关。
与STAT1相似，STAT3也有两种具有不同功能的剪接亚型（STAT3α和STAT3β）。STAT3α具有完整的结构域，而STAT3β在C端缺少55个氨基酸，被7个氨基酸残基取代。STAT3在Y705或S727磷酸化时激活。然而，STAT3β缺乏S727，只有当Y705磷酸化时才被激活。STAT3β比STAT3α具有更好的特异性DNA结合活性，而STAT3 a具有更好的转录活性。转录因子STAT3由IL-6家族成员（IL-6、IL-11、IL-31、LIF、CNTF、CT-1、OSM等）、IL-10家族成员（IL-10、IL-19、IL-20、IL-22、IL-24和IL-26）和IL-21、IL-27、G-CSF、瘦素和IFN-I激活。
STAT3主要参与免疫反应的调节、细胞生长、分化和凋亡以及肿瘤的发生和转移。（1）免疫调节。STAT3可以通过棕榈酰化-去棕榈酰化循环的膜结合、磷酸化和核易位一系列信号转导过程中发挥作用，从而调节Th17细胞的分化。STAT3还促进肿瘤相关巨噬细胞和髓系衍生抑制细胞的免疫抑制。STAT3的过度激活与免疫抑制和转化有关。（2）细胞生长、分化和凋亡的调节。抑制将IL-6信号转导至STAT3的JAK可抑制凋亡蛋白Bcl-xl的表达，从而诱导细胞凋亡。此外，组成性激活的STAT3可通过抑制细胞凋亡诱导多发性骨髓瘤的发生。（3）肿瘤发生的调节。STAT3的组成性激活与头颈部肿瘤、乳腺癌、非小细胞肺癌、结直肠癌和血液肿瘤的发生有关。此外，STAT3和IL-6的高表达与三阴性或高级别乳腺癌化疗敏感性差密切相关。然而，STAT3的两种剪接亚型在肿瘤的调控中具有不同的功能。STAT3α活化被认为促进肿瘤发生，而STAT3β抑制癌症的发生被认为是一种有效的肿瘤抑制剂。（4）癌症干细胞（CSCs）的调节。STAT3的持续激活维持了乳腺CSCs。有多种途径促进乳腺癌或结肠癌中CSC的存活，包括IL-6-JAK1-STAT3、IL-6-JAK2-STAT3、HIF-1α（缺氧诱导因子1α）-JAK1-STAT3和视黄醇结合蛋白4（RBP4）-JAK2-STAT3。
STAT4由784个氨基酸组成，其蛋白质结构与其他STATs相似。激活STAT4的细胞因子主要包括I型IFN、IL-12和IL-23。在小鼠和人类中，STAT4在Th1细胞和辅助性滤泡T（Tfh）细胞的分化和发育中起着重要作用。此外，STAT4促进病毒攻击后的生发中心反应。Tfh细胞产生的细胞因子如IL-21对B细胞的成熟和发育以及Ig的同种型转化也至关重要。 STAT4的磷酸化对于体液免疫应答至关重要。
STAT5转录激活剂包括STAT5a和STAT5b。STAT5a和STAT5b在氨基酸水平上的相似性为91%。STAT5a由794个氨基酸组成，第694个氨基酸是酪氨酸磷酸化位点，而STAT5b由787个氨基酸组成。STAT5酪氨酸磷酸化位点是第699个氨基酸。纯化的STAT5b具有比STAT5a更高的DNA结合能力。除了二聚体之外，STAT5a还可以形成四聚体，而STAT5b以二聚体的形式与DNA结合。
激活STAT5的细胞因子主要包括IL-3、催乳素和IL-2细胞因子家族（包括IL-2、IL-4、IL-7、IL-9和IL-15）。此外，EGF、EPO、GM-CSF、TPO、GH和血小板衍生生长因子也可以有效激活STAT5。
STAT5的生物学功能包括以下方面：（1）生长和发育的调节。由于最初发现STAT5a使β-酪蛋白基因无效，STAT5a最初被称为催乳素诱导的乳腺因子。STAT5敲除小鼠在乳腺发育和乳汁分泌方面存在严重缺陷，STAT5b-/-小鼠在GH产生上表现出缺陷。（2）免疫系统调节方面存在缺陷。STAT5二聚体对生存至关重要，STAT5a和STAT5b缺陷小鼠在淋巴发育和围产期死亡率方面表现出严重缺陷。然而，STAT5a-STAT5b四聚体缺陷小鼠是存活的，但T细胞、NK细胞数量较少，CD8 T细胞增殖能力受损，NK细胞成熟受损。（3）肿瘤免疫调节。在免疫受损小鼠中接种肿瘤后，从小鼠分离的T和B淋巴细胞的STAT5a和STAT5b水平显著降低，表明STAT5水平与肿瘤进展有关。此外，STAT5参与乳腺肿瘤的发生，并主要参与乳腺癌的早期发展。（4）细胞生长、分化和凋亡的调节。研究发现，IL-2诱导的STAT5激活也会导致FasL的增加，这表明STAT5的激活与IL-2诱导激活诱导的细胞死亡有关。
STAT6基因编码850个氨基酸，STAT6蛋白641位的酪氨酸磷酸化位点标志着STAT6的激活。然而，研究也指出，S407可能是病毒激活STAT6的关键磷酸化位点。在一些细胞和组织中，STAT6的剪接变体是显而易见的。STAT6b在氨基末端有缺失，STAT6c的部分SH2结构域缺失。
STAT6主要参与IL-4和IL-13信号的转导。IL-4诱导STAT6的激活，这是Th2细胞分化和免疫球蛋白同种型转化的关键。此外，IL-4诱导的T细胞中STAT6的激活还可以抑制整合素粘附分子家族成员VAL-4的表达，从而抑制CD8 T细胞向肿瘤的浸润。
STAT6可促进B细胞的增殖和成熟，介导MHC-II和IgE的表达，并在肥大细胞活化中发挥重要作用。与其他STAT相比，STAT6可以被病毒激活而不依赖JAK。STAT6还诱导免疫细胞中归巢相关基因的表达，并在先天免疫中发挥重要作用。例如，STAT6二聚体诱导CCL2的表达并招募T细胞、巨噬细胞和单核细胞；CCL26诱导嗜酸性粒细胞/碱性粒细胞和NK细胞归巢；CCR6招募树突状细胞、B细胞、T细胞等。
表2 活化的STAT家族细胞因子和生长因子以及STAT介导的生物学功能
STAT | Cytokine and growth factor | Biological functions |
STAT1 | All interferons, IL-2, IL-6, PDGF, EGF, HGF, TNF, angiotensin II | (1) Regulate cell growth and differentiation; |
STAT2 | Type IIFNs | (1) Type I interferon response mediates the body’s antiviral effect. |
STAT3 | IL-6 family (IL-6、IL-11、IL-31、LIF 、CNTF 、CT-1 、OSM 、CLCF1) | (1) Regulates Th17 immune response; |
STAT4 | Type IIFNs, IL-12, IL-23 | (1) Regulate the differentiation and development of Th1-type cells and induce Th1-type immune response. |
STAT5a, STAT5b | IL-3, Prolactin, IL-2 cytokine family (IL-2, IL-4, IL-7, IL-9 and IL-15) | (1) Regulate the growth and development of mice; |
STAT6 | IL-4, IL-13 | (1) Regulate the differentiation of Th2 cells; |
JAK/STAT信号通路的激活和调节
经典JAK/STAT信号通路
经典的JAK/STAT信号如下（图3）：细胞配体与其受体相互作用，导致受体二聚化。EpoR、TNF-R1、gp130、 IL-17R、IL-10R和GH受体等可在与配体结合之前预先形成无活性的受体二聚体，这可促进受体复合物的快速组装和信号转导。配体和受体之间的连接诱导JAK的磷酸化。激活的JAK导致结合受体的酪氨酸磷酸化，形成STAT的对接位点。在这个对接位点，JAK磷酸化STAT，然后STAT与受体分离，通过SH2结构域-磷酸酪氨酸相互作用形成同二聚体或异二聚体。这些二聚体易位到靶基因启动子，调节靶基因的转录。
STAT通常通过以下机制调节转录：（1）STAT结合其DNA靶位点以驱动转录激活。（2） STAT蛋白可与非STAT转录因子形成转录复合物以触发STAT介导的转录；（3） STAT与非STAT DNA结合元件结合以促进STAT依赖性转录；（4） STAT和非STAT转录因子可以通过与独立的DNA结合位点簇结合来协同激活转录。
图3 JAK/STAT信号通路的激活和负调控。黑色箭头表示激活过程。红色虚线箭头表示负调控。
非经典JAK/STAT信号通路
研究表明，JAK/STAT也参与更为复杂的非经典信号转导。未磷酸化的STAT3可以在没有S727磷酸化的情况下诱导多个STAT3靶基因表达，Lys-685乙酰化和NF-κB有助于这个过程。
此外，STATs不仅可以在细胞质中被激活，除STAT4外的所有STATs都可以定位于线粒体并促进氧化磷酸化和膜通透性，STAT3可以定位于内质网并有助于抵抗氧化应激诱导的细胞凋亡。未磷酸化的STAT池的一部分位于核中与等位常染色体基因异染色质蛋白-1（HP1）相关的异染色素上。JAK或其他激酶诱导STAT的激活并导致HP1与异染色质分离，然后磷酸化的STAT与常染色体上的认知位点结合以调节基因转录。这种非典型的JAK/STAT信号转导对于维持异染色质的稳定性至关重要。在一项对果蝇的研究中，发现STAT的磷酸化可以导致HP1脱离异染色质，从而破坏异染色素的稳定性，而异染色蛋白的不稳定性可能会促进肿瘤的发生。
一些研究人员发现，哺乳动物中存在非典型的JAK/STAT信号转导模式。例如，MHC高阶染色体重塑是由干扰素诱导的STAT1激活引起的；其他研究表明，JAK3-STAT5的激活导致Th1细胞分化过程中Ifng位点的染色质重塑。有趣的是，JAK蛋白也可以被独立于细胞因子受体的致瘤酪氨酸激酶激活。例如，Abelson小鼠白血病病毒的原癌基因v-Abl通过调节JAK/STAT通路中细胞因子信号（SOCS）-1和JAK抑制因子之间的相互作用，组成性地激活JAK/STAT通路。致癌融合嵌合蛋白核磷-蛋白间变性淋巴瘤激酶诱导含SH2蛋白酪氨酸磷酸酶-1（SHP-1）失活，以抑制JAK3的降解并增强JAK3-STAT3启动的信号转导，这可能导致间变性大细胞淋巴瘤的发生。BCR-ABL融合基因发挥抗凋亡作用，BCR-ABL可以通过JAK蛋白的低组成磷酸化与造血生长因子协同作用，从而调节STAT活化。
类似地，STAT也可以被其他非受体酪氨酸激酶激活或被独立于JAK的受体直接激活。c-Src酪氨酸激酶可以组成性地激活STAT3，这增加了STAT信号通路调节肿瘤相关基因表达的可能性。表皮生长因子受体可以直接激活STAT1、STAT3和STAT5，此外，STAT5可以被血小板衍生生长因子受体直接激活。
JAK/STAT信号的正调节
除了JAK/STAT信号通路的主要成分外，许多相关蛋白在STAT依赖性转录和JAK–STAT与其他信号通路的相互作用中发挥着不可或缺的作用。
在糖皮质激素和催乳素的共同刺激下，激活的STAT5和糖皮质激素受体（GR）形成复合物。GR作为STAT5的转录辅激活因子，促进STAT5依赖性转录。此外，CBP和p300作为STAT1α的辅助激活剂来调节JAK/STAT的反应，但这种调节可以通过JAK/STAT和其他信号通路的共同转录物的整合来实现。
另一种细胞质蛋白Nmi可通过CBP募集STAT1和STAT5来促进STAT1与STAT5的活化。体外GST下拉试验结果表明，除STAT2外的STAT可以与Nmi相互作用。一些衔接蛋白也可以促进JAK/STAT信号通路。由淋巴细胞衔接蛋白（Lnk）、SH2-B和APS组成的SH2蛋白亚家族具有潜在的衔接功能。SH2-2B可以促进GH诱导的JAK2的激活，而APS是JAK/STAT信号通路的负调节因子。信号转导适配器分子是一种含有SH3结构域和ITAM结构域的转导适配器。它可以通过其ITAM结构域与JAK2和JAK3相互作用，以增强IL-2和GM CSF介导的C-myc转录。
JAK/STAT信号的负调控
许多负调节因子参与JAK/STAT信号转导的调节。它们维持JAK/STAT途径的平衡和稳定状态。JAK/STAT信号通路有三种主要的负调控类型：活化STAT的蛋白抑制剂（PIAS）、SOCS/CIS家族和PTPs（蛋白酪氨酸磷酸酶）（图3）。
SOCS蛋白家族是细胞内蛋白，包括CIS、SOCS1、SOCS2、SOCS3、SOCS4、SOCS5、SOCS6和SOCS7。活化的STAT二聚化并进入细胞核诱导SOCS表达，SOCS蛋白与磷酸化的JAK及其受体结合，负调控JAK–STAT信号通路。SOCS主要以三种方式负调控JAK/STAT通路:（1） 与受体上的磷酸酪氨酸结合，以防止STAT募集到受体；如，CIS与IL-3受体和酪氨酸磷酸化EPO受体的酪氨酸磷酸β链稳定结合。（2）直接特异性地结合JAK或其受体以抑制JAK的激酶活性。例如，SOCS3同时结合JAK及其受体gp130。SOCS3靶向含有信号受体gp130的IL-6家族细胞因子受体复合物。在SOCS3的SH2结构域与gp130的磷酸化Tyr759结合后，SOCS3 Ig样受体（KIR）以非磷酸化依赖性方式与gp130相关的JAK结合。在SOCS3结合时，JAK的底物结合槽被隐藏，抑制JAK/STAT信号通路。SOCS1蛋白的SH2结构域可以靶向JAK的激活环，并且SOCS1还可以通过KIR直接抑制JAK酪氨酸激酶活性。（3）SOCS蛋白通过其C端SOCS盒与延伸蛋白B/C复合物相互作用，并同时与cullin5结合，形成延伸蛋白-cullin-SOCS3 E3泛素连接的酶复合物。这种复合物经历多泛素化，由蛋白酶降解与SOCS结合的信号因子，如JAK和STAT，从而阻断信号转导。Cullin5还包含一个RING结构域，该结构域可以结合Rbx2，Rbx2可以与E2泛素结合酶相互作用。
SOCS不仅具有简单的负反馈功能，而且在免疫反应和炎症调节中起着重要作用。SOCS1敲除小鼠的实验数据表明，SOCS1通过调节STAT1抑制Treg细胞分泌IFN-γ，抑制IFN信号可预防动脉粥样硬化。CIS不与JAK相互作用，因此不抑制JAK。它最初被鉴定为STAT5的负反馈调节器。此外，在Ba/F3细胞中SOCS3的过表达可以抑制STAT5激活。SOCS3通过抑制IL-12介导的STAT4激活来抑制Th1细胞并促进Th2生成。SOCS3的缺失还可以通过促进IL-10和TGFβ的产生来抑制Th1细胞和Treg细胞的产生。
PIAS
PIAS是一个转录调控家族。在哺乳动物中发现了四个PIAS家族成员，即PIAS1（也称为PIASx，有两个剪接变体PIASx-α和PIASx--β）、PIAS2、PIAS3（具有剪接变体PIAS3b）和PIAS4（也称为具有剪接变异体PIASyE6的PIASy）。果蝇中鉴定出PIAS同源物dPIAS/Zimp，酵母中也存在PIAS相关蛋白SIZ1和SIZ2。
PIAS最初被发现是STAT的抑制剂，PIAS1和PIAS4可以与STAT1相互作用，PIAS3和PIAS1分别与STAT3和STAT4相互作用。PIAS仅与被JAK磷酸化后形成的STAT二聚体相互作用，不与STAT单体相互作用。PIAS主要通过以下机制调节转导。（1） 阻断转录因子的DNA结合活性。例如，PIAS1和PIAS3通过阻断STAT和DNA结合活性来阻断JAK/STAT信号转导。（2）促进转录因子sumo化修饰。研究结果表明，PIAS1可以与STAT1上与Lys703相互作用。（3）通过募集共抑制分子组蛋白脱乙酰酶来募集其他共调控因子PIAS1和PIAS4，从而阻止STAT与DNA结合并导致转录激活失败。（4）螯合转录因子以形成阻遏复合物的亚核结构以调节转录。PIAS还充当SUMO（类泛素蛋白修饰分子）E3连接酶，其可以通过蛋白质泛素化调节许多细胞过程；然而，关于PIAS的SUMO E3连接酶活性是否调节STAT信号仍存在争议。PIASx-α可以作为E3连接酶修饰STAT1的Lys703 SUMO。然而，有趣的是，将Lys703突变为Arg可以消除SUMO修饰，但STAT1激活和PIAS1对STAT1信号的抑制不受影响。与这些发现相反，Ungureanu等人揭示了相同的突变导致IFN-γ介导的STAT1反式激活增加，导致STAT1的激活增加。
大量的遗传学研究也证实了PIAS在JAK/STAT信号通路介导的基因调节中的生理作用。当PIAS被敲除时，JAK/STAT转导活性升高，从而导致血液肿瘤的形成，PIAS1通过干扰STAT1向基因启动子的募集，选择性地调节IFN-β和IFN-γ诱导基因。然而，PIAS的SUMO E3连接酶活性如何调节体内STAT活性以及STAT介导的基因调节的生理作用需要进一步研究和阐明。
PTPs
JAK/STAT信号通路也可被PTP负调控。PTP中的SH结构域可以与信号分子、激活的受体和JAK结合，使底物去磷酸化。PTPs可使STAT去磷酸化抑制其活性，并抑制JAK/STAT信号转导。例如，已经从HeLa细胞中提取了T细胞PTPs的核异构体TC45。核TC45使细胞核中的STAT二聚体去磷酸化并失活。含SH2的蛋白酪氨酸SHP-1也是PTPs家族的重要成员。当它被GH激活并转移到细胞核时，SHP-1可以使STAT5b去磷酸化。
PTPs不仅作用于活化的STAT，还可以使JAK去磷酸化并阻断JAK/STAT信号通路。跨膜PTP CD45可以抑制IL-3诱导的JAK2磷酸化并负调节JAK/STAT信号转导，从而抑制IL-3介导的细胞增殖。PTP1B可以使JAK2和TYK2去磷酸化，但也有报道称PTP1B在抑制JAK/STAT信号传导中的主要靶点是STAT5。其他PTPs也可以作用于配体-受体复合物。例如，造血蛋白酪氨酸磷酸酶SH-PTP1可以与EPO受体胞质区的pY429结合，从而介导JAK2的去磷酸化和失活。添加IFN-α后，SHP-1还可以可逆地与IFN-α受体结合，并选择性地调节小鼠的JAK/STAT信号转导。含有SH2的蛋白酪氨酸磷酸酶-2（SHP-2）可以负调节IFN对STAT过度激活的细胞毒性作用，以促进细胞生长，但SHP-2的特定作用与JAK/STAT信号通路的一部分有关，尚待研究。
JAK/STAT途径中的成分与其他途径中的组分之间的串扰是极其复杂的，发生在不同的水平，并涉及不同的分子，如受体、JAK、STAT和基因转录因子（图4）。
图4 JAK/STAT和其他通路之间的信号串扰。
这些串扰活动在多能性和分化转录程序、免疫调节和肿瘤发生中起着至关重要的作用。如：（1）STAT3-p300-SMAD1形成复合物诱导星形胶质细胞分化；（2）JAK1结合TGFβRI并激活STAT3；（3） TGF-β通过SMAD依赖方式激活STAT3。（4） STAT3抑制SMAD3–SMAD4复合物的形成并抑制SMAD3-DNA结合；（5） SMAD3通过将PIAS3募集到STAT3来抑制STAT3激活；（6）TGF-β阻断IL-12介导的JAK2和TYK2酪氨酸磷酸化；（7）Notch信号通过干扰STAT向DNA结构域的易位来抑制JAK/STAT的激活，而JAK/STA的信号则相反地抑制Notch信号。（8） Hes蛋白直接结合STAT3并通过募集JAK2诱导磷酸化；（9） STAT5直接与PI3K相互作用；（10） STAT5上调p85α（Pik3r1）、p110α（Pik3ca）和AKT1的表达；（11） STAT3通过与p300相互作用驱动RelA的超乙酰化；（12） NF-κB编码的环氧合酶-2、IL-17、IL-21和IL-23激活STAT3；（13） 在Nos2启动子处NF-κB先于ISGF3（一种包含STAT1、STAT2和IRF9亚基的复合物）调节一氧化氮合酶的表达；（14） IRF9-STAT1-STAT2三聚体复合物诱导基因表达；（15） STAT1调节IRF8合成；（16） STAT5抑制IRF8活性；（17） STAT1和IRF1协同诱导IFNγ诱导的基因转录；（18） IRF8增加由STAT1和IRF1介导的IFNγ诱导的基因转录；等。
JAK/STAT途径是一种高度保守的信号转导途径，它参与调节与多种疾病发展相关的多种细胞机制，JAK/STAT通路的失调与各种疾病有关。例如，JAK2V617F突变经常发生在骨髓增生性肿瘤（MPN）中。更常见的是，JAK/STAT通路作为异常升高的细胞因子的介体，诱导基因转录。此外，JAK/STAT抑制剂已有效治疗多种疾病，如类风湿性关节炎（RA）和系统性红斑狼疮（SLE），这表明JAK/STAT在疾病发展中很重要（表3）
表3 不同疾病中JAK/STAT的突变或过表达
Gene | Mutation | Overexpression | Disease |
JAK1 | JAK1 | —— | Primary mediastinal B-cell lymphoma |
JAK1 | —— | Hepatocellular carcinoma | |
—— | JAK1 | Hair loss | |
—— | JAK1 | Atopic dermatitis | |
—— | JAK1 | Age-related frailty | |
—— | JAK1 | Colorectal cancer | |
JAK2 | JAK2 (JAK2 V617F) | Myeloproliferative neoplasms | |
—— | JAK2 | Hodgkin lymphoma | |
—— | JAK2 | Rheumatoid arthritis | |
—— | JAK2 | Atopic dermatitis | |
JAK2 (V615L and M532V) | —— | Lung tumor | |
JAK3 | JAK3 (L156P, E183G, R172Q) | —— | T-cell leukemia/lymphoma |
JAK3 | —— | Natural killer T-cell lymphoma | |
JAK3 (A572V and A573) | —— | Severe combined immunodeficiency syndromes | |
JAK3 (A1090S) | —— | Lung tumor | |
STAT3 | STAT3 | —— | Job’s syndrome |
—— | STAT3 | Rheumatoid arthritis | |
—— | STAT3 | Cervical Cancer | |
—— | STAT3 | Bladder cancer | |
STAT6 | STAT6 | Primary mediastinal B-cell lymphoma |
抑制剂
靶向JAK/STAT途径的药物可分为三种类型：其一，细胞因子或受体抗体；其二，JAK抑制剂；其三，STAT抑制剂（图5）。它们已被应用于各种癌症和自身免疫性疾病。其中一些药物已被批准上市，如JAK抑制剂：托法替尼和鲁索替尼。这些药物大多处于临床前和临床试验阶段。
图5 JAK/STAT信号通路的治疗靶点。(1)重组细胞因子、(2)细胞因子抗体、(3)受体抗体被设计为靶向细胞因子或受体、(4)JAK抑制剂设计用于靶向JAK、(5)肽抑制剂、(6)小分子抑制剂、(7)诱饵寡核苷酸（ODN）、(8)反义寡核苷酸（ASO）和(9)靶向STAT的siRNA。
结论和展望
JAK/STAT通路是细胞外细胞因子激活的受体介导信号转导的核心，其参与细胞增殖和分化、器官发育和免疫稳态。本文分享了JAK/STAT通路的组成和功能，JAK/STAT信号通路的失调被认为是各种疾病的主要贡献者，尤其是恶性肿瘤和自身免疫性疾病。过度激活的 JAK/STAT 通路、血清 JAK 依赖性细胞因子升高和突变的 JAK/STAT 为特征的疾病对 JAK/STAT 抑制剂反应良好。JAK/STAT抑制剂目前应用于自身免疫性疾病、恶性肿瘤、GVHD和传染病。对更多临床适应症的研究正在进行中，包括 IL-6 驱动的疾病：大血管炎、I 型 IFN 相关疾病：单基因干扰素病、硬皮病、肌炎和原发性干燥综合征。
关于信号转导，还有一些悬而未决的问题。首先，尽管JAK/STAT信号转导通常以简单的方式呈现，但数十年的研究表明，它充满了复杂性。其次，STAT可以直接与DNA结合，但它们在何处以及如何结合是一个持续争论的问题，深度测序和染色质免疫沉淀（ChIP-seq）可能有助于构建全面且无偏见的STAT-DNA结合图谱。第三，需要更多的研究来解释STA介导的转录抑制是如何工作的，无论是通过基因组位点的直接结合还是通过诱导二级药物，如抑制性转录因子和miRNA。第四，STATs可以被不同的细胞因子激活，相反，一个细胞因子可以激活多个STATs。不同的细胞因子被视为不同的信号，一个假定的解释是不同的细胞因子激活各种STAT和其他信号模块的不同磷酸化水平。需要更多的研究来支持这一假设。第五，JAK/STAT通路如何参与疾病的发病机制尚未完全阐明。例如，在 JAK2 的情况下V617FMPN的突变，JAK/STAT通路是如何出错的？第六，大多数疾病是由多种遗传异常引起的，JAK/STAT通路成分与其他通路成分之间的串扰尚未完全阐明。
文献网址：https://www.nature.com/articles/s41392-021-00791-1
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