JAK/STAT-Signalweg

Mechanistisch gesehen ist der JAK/STAT-Signalweg relativ einfach und besteht aus nur wenigen Hauptkomponenten. Eine Vielzahl von Liganden, darunter Zytokine, Hormone und Wachstumsfaktoren, und deren Rezeptoren stimulieren den JAK/STAT-Signalweg. Die intrazelluläre Aktivierung erfolgt, wenn die Ligandenbindung die Multimerisierung der Rezeptoruntereinheiten induziert. Für einige Liganden, wie Epo (Erythropoietin) und GH (Wachstumshormon), sind die Rezeptoruntereinheiten als Homodimere gebunden, während für andere, wie Ifns (Interferone) und ILs (Interleukine), die Rezeptoruntereinheiten Heteromultimere sind. Für die Signalausbreitung müssen die zytoplasmatischen Domänen von zwei Rezeptoruntereinheiten mit JAK-Tyrosinkinasen assoziiert sein. Die JAK-Aktivierung erfolgt bei Liganden-vermittelter Rezeptor-Multimerisierung, weil zwei JAKs in enge Nachbarschaft gebracht werden, was eine trans-Phosphorylierung ermöglicht. Die aktivierten JAKs phosphorylieren anschließend weitere Ziele, darunter sowohl die Rezeptoren als auch die Hauptsubstrate, die STATs. Die sieben Säugetier-STATs tragen einen konservierten Tyrosin-Rest in der Nähe des C-Terminus, der von den JAKs phosphoryliert wird. Dieses Phosphotyrosin ermöglicht die Dimerisierung der STATs durch Interaktion mit einer konservierten SH2-Domäne. Verschiedene JAKs und STATs werden durch unterschiedliche Liganden aktiviert. Zum Beispiel stimulieren Hormone wie GH, Epo und Tpo (Thrombopoietin) generell die Aktivierung von JAK2 sowie STAT3 und 5. Phosphorylierte STATs gelangen dann in den Zellkern durch einen Mechanismus, der von Importin Alpha-5 (auch Nukleoprotein-Interaktor 1 genannt) und dem Ran-Kernimportweg abhängig ist. Einmal im Zellkern angekommen, binden dimerisierte STATs spezifische regulatorische Sequenzen, um die Transkription von Zielgenen zu aktivieren oder zu unterdrücken. Somit bietet die JAK/STAT-Kaskade einen direkten Mechanismus, um ein extrazelluläres Signal in eine transkriptionelle Antwort zu übersetzen. RTKs (Rezeptor-Tyrosinkinasen) aktivieren üblicherweise die Ras/Raf/MEK/ERK-Signalisierung, können aber bei Überaktivierung auch den JAK/STAT-Signalweg induzieren, der ursprünglich als die Signalkaskade stromabwärts von Zytokinrezeptoren identifiziert wurde.

Zytokine und ihre Rezeptoren sind die Hauptaktivatoren des JAK/STAT-Signalwegs. Ifns sind antivirale Zytokine, die von vielen Zelltypen nach einer viralen Infektion produziert werden. Ifns werden entweder als Typ I oder Typ II klassifiziert. Zu den Typ-I-Ifns gehören Ifn-Alpha, -Beta, -Omega und -Tau, die alle monomer sind; das einzige Typ-II-Ifn ist Ifn-Gamma, ein Dimer. Typ I und II Ifn binden an unterschiedliche Rezeptoren und aktivieren überlappende, aber unterschiedliche Gene. Ifn sind sehr wichtige Regulatoren des JAK/STAT-Wegs. Der Ifn-AlphaBetaR besteht aus zwei Untereinheiten, IfnAR1 und IfnAR2, die bei Ifn-Stimulation ein Heterodimer bilden. Dies initiiert die Aktivierung von zwei Tyrosinkinasen der Janus-Familie, JAK1 und TYK2, gefolgt von der Phosphorylierung der STAT1- und STAT2-Proteine (Signal Transducers and Activators of Transcription). Die phosphorylierten STATs dissoziieren dann vom Rezeptor-Heterodimer und binden an IRF9/p48, ein Mitglied der IRF-Familie (Interferon Regulatory Factor-9), und bilden einen trimeren Haupt-Interferon-Genfaktor, der als ISGF3-Komplex (Interferon-Stimulated Transcription Factor-3) bekannt ist. Dieser Komplex transloziert in den Zellkern und bindet an das cis-Element ISRE (Ifn-stimulated Response Element), wodurch die Transkription verschiedener Ifn-induzierbarer Gene initiiert wird. Im Gegensatz dazu führt die Bindung von Ifn-Gamma an seinen Rezeptor zur Tyrosinphosphorylierung der Tyrosinkinasen JAK1 und JAK2, was zur Phosphorylierung von STAT1, aber nicht von STAT2 führt. Phosphoryliertes STAT1 homodimerisiert und bildet den GAF-AAF-Komplex, der in den Zellkern wandert und an das GAS-Element bindet, das in den meisten Ifn-Gamma-induzierbaren Genen vorhanden ist.

Zusätzlich zu den Hauptkomponenten des Signalwegs wurden weitere Effektorproteine identifiziert, die zumindest zu einer Teilmenge der JAK/STAT-Signalereignisse beitragen. STAMs (signal-transducing adapter molecules) sind Adaptermoleküle mit konservierten VHS- und SH3-Domänen. STAM1 und STAM2A können von JAK1-JAK3 in einer Weise phosphoryliert werden, die von einer dritten Domäne abhängt, die in einigen STAMs vorhanden ist, dem ITAM (inducible tyrosine-based activation motif). Durch einen schlecht verstandenen Mechanismus erleichtern die STAMs die transkriptionelle Aktivierung bestimmter Zielgene, einschließlich Myc. Ein zweiter Adapter, der die Aktivierung des JAK/STAT-Wegs erleichtert, ist STATIP (STAT-Interacting Protein), ein WD40-Protein. STATIPs können sowohl mit JAKs als auch mit unphosphorylierten STATs assoziieren und dienen möglicherweise als Gerüst, um die Phosphorylierung von STATs durch JAKs zu erleichtern. Eine dritte Klasse von Adaptern mit Funktion in der JAK/STAT-Signalgebung ist die SH2B/Lnk/APS-Familie. Diese Proteine enthalten sowohl Pleckstrin-Homologie- als auch SH2-Domänen und sind ebenfalls Substrate für die JAK-Phosphorylierung. Sowohl SH2-Bß als auch APS assoziieren mit JAKs, aber ersteres erleichtert die JAK/STAT-Signalisierung, während letzteres sie hemmt.

Zusätzlich zu den Effektoren des JAK/STAT-Signalwegs gibt es drei Hauptklassen negativer Regulator: SOCS (Suppressoren der Zytokinsignalisierung), PIAS (Proteininhibitoren aktivierter STATs) und PTPs (Protein-Tyrosin-Phosphatasen). Die vielleicht einfachsten sind die Tyrosinphosphatasen, die die Aktivität der JAKs umkehren. Die am besten charakterisierte unter ihnen ist SHP-1. SHP-1 enthält zwei SH2-Domänen und kann entweder an phosphorylierte JAKs oder phosphorylierte Rezeptoren binden, um die Dephosphorylierung dieser aktivierten Signalmoleküle zu erleichtern. Andere Tyrosinphosphatasen, wie z. B. CD45, scheinen eine Rolle bei der Regulierung der JAK/STAT-Signalübertragung durch eine Untergruppe von Rezeptoren zu spielen. Zur zweiten Klasse der negativen Regulatoren gehören die SOCS. SOCS-Proteine sind eine Familie von mindestens acht Mitgliedern, die eine SH2-Domäne und eine SOCS-Box am C-Terminus enthalten. Das Markenzeichen der SOCS-Familie ist die SOCS-Box, die die Interaktion mit dem Elongin-B/C-Komplex vermittelt und die SOCS und die assoziierten Zielproteine JAKs an den proteasomalen Proteindegradationsweg koppelt. Der NH2-Terminus der SOCS-Box enthält ein konserviertes Elongin-B/C-Bindungsmotiv (BC-Box), das an Elongin-C bindet, das wiederum mit einem Komplex aus Elongin-B, einem Mitglied der Cullin-Familie und dem RING-Fingerprotein Rbx-1 assoziiert, um einen Multiproteinkomplex zu bilden, der als E3-Ubiquitin-Ligase wirken kann. Zusammen mit einem ATP-abhängigen Ubiquitin-aktivierenden Enzym (E1) und einem Ubiquitin-konjugierenden Enzym (E2) wirkt die E3-Ubiquitin-Ligase, um proximale Proteine mit Polyubiquitin-Ketten zu markieren. Durch Polyubiquitinierung werden Proteine für den Abbau durch das Proteasom markiert. Ubiquitin wird dann durch dUB (deubiquitinierende Enzyme) recycelt und der Zyklus geht weiter. Die SOCS vervollständigen eine einfache negative Rückkopplungsschleife im JAK/STAT-Schaltkreis: aktivierte STATs stimulieren die Transkription der SOCS-Gene und die resultierenden SOCS-Proteine binden phosphorylierte JAKs und deren Rezeptoren, um den Signalweg abzuschalten. Die dritte Klasse von negativen Regulatoren sind die PIAS-Proteine: PIAS1, PIAS3, PIASx und PIASy. Die PIAS-Proteine binden an aktivierte STAT-Dimere und hindern sie daran, DNA zu binden. Der Mechanismus, über den die PIAS-Proteine wirken, ist noch unklar. Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass PIAS-Proteine mit der E2-Konjugase Ubc9 assoziieren und eine E3-Konjugase-Aktivität zur Sumoylierung besitzen, die durch die RING-Finger-Domäne vermittelt wird. Obwohl es Hinweise darauf gibt, dass STATs durch Sumoylierung modifiziert werden können, ist die Funktion dieser Modifikation in der negativen Regulation noch nicht bekannt.

Obwohl der Mechanismus der JAK/STAT-Signalisierung relativ einfach ist, sind die biologischen Konsequenzen der Aktivierung des Signalwegs durch Interaktionen mit anderen Signalwegen kompliziert. Die JAK/STAT-Signalisierung fördert auch indirekt die Ras-Signalisierung durch die transkriptionelle Aktivierung von SOCS3. SOCS3 bindet RasGAP, einen negativen Regulator der Ras-Signalisierung, und reduziert dessen Aktivität, wodurch die Aktivierung des Ras-Signalwegs gefördert wird. Umgekehrt fördert die RTK-Signalwegaktivität die JAK/STAT-Signalisierung durch mindestens zwei Mechanismen. Erstens führt die Aktivierung einiger RTKs, einschließlich EGFR und PDGFR, zu einer JAK-unabhängigen Tyrosinphosphorylierung von STATs, wahrscheinlich durch die Src-Kinase. Zweitens verursacht die Stimulation des RTK/Ras-Signalwegs die nachgeschaltete Aktivierung von MAPK. MAPK phosphoryliert spezifisch ein Serin in der Nähe des C-Terminus der meisten STATs. Darüber hinaus können die Funktionen aktivierter STATs durch Assoziation mit anderen Transkriptionsfaktoren und Kofaktoren wie p300, CBP (CREB-Binding Protein), BRCA1 (Breast Cancer-1 Gene) und MCM5 (Minichromosome Maintenance-5), die durch andere Signalwege reguliert werden, verändert werden. Zusätzlich zur Aktivierung von STATs phosphorylieren JAK-Kinasen andere Signal-/Adaptorproteine, wodurch die JAK-Signalisierung mit anderen Signalwegen wie den MAP-Kinasen verknüpft wird. JAKs oder STATs können auch an der Signalübertragung durch andere Rezeptorklassen beteiligt sein. STATs sind auch an vielen Krankheiten wie Brustkrebs (Tumoren), Kopf- und Halskrebs (Zelllinien), multiplem Myelom, Erythro-Leukämie, akuter myeloischer Leukämie, EBV-bedingtem Burkitt-Lymphom und Herpes-Virus-Salmiri-abhängigem Lymphom beteiligt.