JAK/STAT Pathway

Meccanicamente, la segnalazione JAK/STAT è relativamente semplice, con solo pochi componenti principali. Una varietà di ligandi, tra cui citochine, ormoni e fattori di crescita, e i loro recettori stimolano la via di JAK/STAT. L’attivazione intracellulare avviene quando il legame del ligando induce la multimerizzazione delle subunità del recettore. Per alcuni ligandi, come Epo (eritropoietina) e GH (ormone della crescita), le subunità del recettore sono legate come omodimeri mentre per altri, come Ifns (interferoni) e ILs (interleuchine), le subunità del recettore sono eteromultimeri. Per la propagazione del segnale, i domini citoplasmatici di due subunità recettoriali devono essere associati alle tirosin-chinasi JAK. L’attivazione delle JAK avviene dopo la multimerizzazione del recettore mediata dal ligando, perché due JAK sono portate in stretta vicinanza, permettendo la trans-fosforilazione. Le JAK attivate successivamente fosforilano ulteriori bersagli, compresi sia i recettori che i principali substrati, gli STAT. Le sette STAT dei mammiferi hanno un residuo di tirosina conservato vicino al C-terminale che viene fosforilato dalle JAK. Questa fosfotirosina permette la dimerizzazione delle STAT attraverso l’interazione con un dominio SH2 conservato. Diverse JAK e STAT sono attivate da diversi ligandi. Per esempio, ormoni come GH, Epo, e Tpo (trombopoietina) generalmente stimolano l’attivazione di JAK2 così come di STAT3 e 5. Le STAT fosforilate entrano poi nel nucleo con un meccanismo che dipende dall’Importina Alpha-5 (chiamata anche interagente nucleoproteico 1) e dalla via di importazione nucleare Ran. Una volta nel nucleo, le STAT dimerizzate legano specifiche sequenze di regolazione per attivare o reprimere la trascrizione dei geni bersaglio. Così la cascata JAK/STAT fornisce un meccanismo diretto per tradurre un segnale extracellulare in una risposta trascrizionale. Le RTK (tirosin-chinasi recettoriali) attivano comunemente la segnalazione Ras/Raf/MEK/ERK, ma quando sono iperattivate possono anche indurre la via JAK/STAT, originariamente identificata come la cascata di segnalazione a valle dei recettori delle citochine. Le Ifn sono citochine antivirali prodotte da molti tipi di cellule in seguito a un’infezione virale. Le Ifn sono classificate come Tipo I o Tipo II. Tipo I Ifns includono Ifn-Alpha, -Beta, -Omega e -Tau, che sono tutti monomerici; l’unico tipo II Ifn è Ifn-Gamma, un dimero. Tipo I e II Ifn si legano a diversi recettori e attivano geni sovrapposti ma distinti. Le Ifn sono regolatori molto importanti della via JAK/STAT. L’Ifn-AlphaBetaR consiste di due subunità, IfnAR1 e IfnAR2, che formano un eterodimero su stimolazione Ifn. Questo avvia l’attivazione di due tirosin-chinasi della famiglia Janus, JAK1 e TYK2, seguita dalla fosforilazione delle proteine STAT1 e STAT2 (Signal Transducers and Activators of Transcription). Le STAT fosforilate si dissociano dall’eterodimero del recettore e si legano a IRF9/p48, un membro della famiglia IRF (Interferon Regulatory Factor-9), formando un complesso trimerico del principale fattore genico dell’interferone noto come ISGF3 (Interferon-Stimulated Transcription Factor-3). Questo complesso si sposta nel nucleo e si lega all’elemento cis ISRE (Ifn-stimulated Response Element), iniziando così la trascrizione di diversi geni Ifn-inducibili. Al contrario, il legame di Ifn-Gamma al suo recettore porta alla fosforilazione della tirosina delle tirosin-chinasi JAK1 e JAK2, con conseguente fosforilazione di STAT1 ma non di STAT2. STAT1 fosforilato si omodimerizza per formare il complesso GAF-AAF, che si traduce nel nucleo e si lega all’elemento GAS presente nella maggior parte dei geni inducibili Ifn-Gamma.

In aggiunta ai componenti principali del percorso, sono state identificate altre proteine effettrici che contribuiscono ad almeno un sottoinsieme di eventi di segnalazione JAK/STAT. Le STAM (signal-transducing adapter molecules) sono molecole adattatrici con domini VHS e SH3 conservati. STAM1 e STAM2A possono essere fosforilati da JAK1-JAK3 in un modo che dipende da un terzo dominio presente in alcune STAM, l’ITAM (inducible tyrosine-based activation motif). Attraverso un meccanismo poco compreso, gli STAM facilitano l’attivazione trascrizionale di specifici geni bersaglio, tra cui Myc. Un secondo adattatore che facilita l’attivazione della via JAK/STAT è STATIP (STAT-Interacting Protein), una proteina WD40. Le STATIP possono associarsi sia con le JAK che con le STAT non fosforilate, forse fungendo da impalcatura per facilitare la fosforilazione delle STAT da parte delle JAK. Una terza classe di adattatori con funzione nella segnalazione JAK/STAT è la famiglia SH2B/Lnk/APS. Queste proteine contengono sia domini pleckstrin homology che SH2 e sono anche substrati per la fosforilazione di JAK. Sia SH2-Bß che APS si associano alle JAK, ma il primo facilita la segnalazione JAK/STAT mentre il secondo la inibisce: SOCS (soppressori della segnalazione delle citochine), PIAS (inibitori proteici delle STAT attivate), e PTP (proteina tirosina fosfatasi). Forse le più semplici sono le fosfatasi tirosiniche, che invertono l’attività delle JAK. La meglio caratterizzata di queste è SHP-1. SHP-1 contiene due domini SH2 e può legarsi alle JAK fosforilate o ai recettori fosforilati per facilitare la defosforilazione di queste molecole di segnalazione attivate. Altre fosfatasi tirosiniche, come CD45, sembrano avere un ruolo nella regolazione della segnalazione JAK/STAT attraverso un sottoinsieme di recettori. La seconda classe di regolatori negativi include i SOCS. Le proteine SOCS sono una famiglia di almeno otto membri che contengono un dominio SH2 e una SOCS box al C-terminale. Il segno distintivo della famiglia SOCS è il SOCS box, che media l’interazione con il complesso Elongin-B/C e accoppia il SOCS e le proteine bersaglio associate JAKs alla via di degradazione proteasomale delle proteine. L’NH2-terminale della SOCS Box contiene un motivo conservato di legame a Elongin-B/C (BC Box) che si lega a Elongin-C, che a sua volta si associa a un complesso composto da Elongin-B, un membro della famiglia Cullin e la proteina RING finger Rbx-1 per formare un complesso multiproteico in grado di agire come una ligasi E3 ubiquitina. Insieme a un enzima attivatore di ubiquitina ATP-dipendente (E1) e a un enzima coniugatore di ubiquitina (E2), l’ubiquitina ligasi E3 agisce per etichettare le proteine prossimali con catene di poliubiquitina. La polubiquitinazione mira alle proteine per la degradazione da parte del proteasoma. L’ubiquitina viene poi riciclata dai dUB (enzimi deubiquitinanti) e il ciclo continua. I SOCS completano un semplice ciclo di feedback negativo nel circuito JAK/STAT: le STAT attivate stimolano la trascrizione dei geni SOCS e le risultanti proteine SOCS legano le JAK fosforilate e i loro recettori per spegnere il percorso. La terza classe di regolatori negativi sono le proteine PIAS: PIAS1, PIAS3, PIASx e PIASy. Le proteine PIAS si legano ai dimeri STAT attivati e impediscono loro di legare il DNA. Il meccanismo con cui le proteine PIAS agiscono rimane poco chiaro. Tuttavia, le proteine PIAS hanno recentemente dimostrato di associarsi con la coniugasi E2 Ubc9 e di avere attività di coniugazione E3 per la sumoilazione che è mediata dal dominio RING finger. Anche se c’è l’evidenza che le STAT possono essere modificate dalla sumoilazione, la funzione di questa modifica nella regolazione negativa non è ancora conosciuta.

Anche se il meccanismo della segnalazione JAK/STAT è relativamente semplice, le conseguenze biologiche dell’attivazione della via sono complicate dalle interazioni con altre vie di segnalazione. La segnalazione JAK/STAT promuove anche indirettamente la segnalazione Ras attraverso l’attivazione trascrizionale di SOCS3. SOCS3 lega RasGAP, un regolatore negativo della segnalazione di Ras, e riduce la sua attività, promuovendo così l’attivazione della via Ras. Reciprocamente, l’attività della via RTK promuove la segnalazione JAK/STAT attraverso almeno due meccanismi. In primo luogo, l’attivazione di alcune RTK, tra cui EGFR e PDGFR, provoca la fosforilazione della tirosina di STATs indipendente da JAK, probabilmente dalla chinasi Src. In secondo luogo, la stimolazione della via RTK/Ras causa l’attivazione a valle di MAPK. MAPK fosforila specificamente una serina vicino al C-terminale della maggior parte delle STAT. Inoltre, le funzioni delle STAT attivate possono essere alterate attraverso l’associazione con altri fattori di trascrizione e cofattori come p300, CBP (CREB-Binding Protein), BRCA1 (Breast Cancer-1 Gene), e MCM5 (Minichromosome Maintenance-5), che sono regolati da altre vie di segnalazione. Oltre ad attivare le STAT, le chinasi JAK fosforilano altre proteine di segnalazione/adattatrici, collegando la segnalazione JAK ad altre vie come le MAP Kinasi. Le JAK o le STAT possono anche partecipare alla segnalazione attraverso altre classi di recettori. Gli STAT sono anche coinvolti in molte malattie come il cancro al seno (tumori), il cancro alla testa e al collo (linee cellulari), il mieloma multiplo, la leucemia eritroide, la leucemia mielocitica acuta, il linfoma di Burkitt legato all’EBV e il linfoma salmiri-dipendente da herpes virus.