JAK/STAT pathway

Mechanistisch gezien is JAK/STAT signalering relatief eenvoudig, met slechts enkele hoofdcomponenten. Een verscheidenheid aan liganden, waaronder cytokinen, hormonen en groeifactoren, en hun receptoren stimuleren de JAK/STAT-route. Intracellulaire activering vindt plaats wanneer binding van het ligand multimerisatie van receptorsubeenheden induceert. Voor sommige liganden, zoals EPO (erytropoëtine) en GH (groeihormoon), zijn de receptorsubeenheden gebonden als homodimeren, terwijl voor andere, zoals Ifns (interferonen) en IL’s (interleukines), de receptorsubeenheden heteromultimeren zijn. Voor de voortplanting van het signaal moeten de cytoplasmatische domeinen van twee receptorsubeenheden geassocieerd zijn met JAK-tyrosinekinasen. Activering van JAK vindt plaats bij ligand-gemedieerde multimerisatie van de receptor omdat twee JAK’s in elkaars nabijheid worden gebracht, waardoor trans-fosforylering mogelijk wordt. De geactiveerde JAK’s fosforyleren vervolgens bijkomende doelwitten, waaronder zowel de receptoren als de belangrijkste substraten, de STAT’s. De zeven zoogdier-STAT’s bevatten een geconserveerd tyrosineresidu nabij de C-terminus dat door JAK’s wordt gefosforyleerd. Dit fosfotyrosine maakt de dimerisatie van STAT’s mogelijk door interactie met een geconserveerd SH2-domein. Verschillende JAK’s en STAT’s worden geactiveerd door verschillende liganden. Zo stimuleren hormonen zoals GH, EPO en Tpo (trombopoëtine) in het algemeen de activering van zowel JAK2 als STAT3 en 5. Gefosforyleerde STAT’s komen vervolgens de kern binnen via een mechanisme dat afhankelijk is van Importine Alpha-5 (ook nucleoproteïne interactor 1 genoemd) en de Ran nucleaire importroute. Eenmaal in de kern binden de gedimeriseerde STAT’s specifieke regulerende sequenties om de transcriptie van doelgenen te activeren of te onderdrukken. De JAK/STAT-cascade biedt dus een direct mechanisme om een extracellulair signaal om te zetten in een transcriptionele respons. RTK’s (receptor tyrosine kinasen) activeren gewoonlijk Ras/Raf/MEK/ERK-signalering, maar kunnen bij overactivering ook de JAK/STAT-route induceren, die oorspronkelijk werd geïdentificeerd als de signaalcascade downstream van cytokinereceptoren

Cytokinen en hun receptoren zijn de belangrijkste activatoren van de JAK/STAT-route. Ifns zijn antivirale cytokinen die na een virusinfectie door vele celtypes worden geproduceerd. Ifns worden ingedeeld in type I of type II. Ifns van type I omvatten Ifn-Alpha, -Beta, -Omega en -Tau, die alle monomeer zijn; de enige Ifn van type II is Ifn-Gamma, een dimeer. Type I en II Ifns binden aan verschillende receptoren en activeren overlappende maar verschillende genen. Ifns zijn zeer belangrijke regulatoren van de JAK/STAT-route. De Ifn-AlphaBetaR bestaat uit twee subeenheden, IfnAR1 en IfnAR2, die bij stimulatie door het Ifn een heterodimeer vormen. Dit zet de activering in gang van twee Janus-familie tyrosinekinasen, JAK1 en TYK2, gevolgd door de fosforylering van STAT1- en STAT2-eiwitten (Signal Transducers and Activators of Transcription). De gefosforyleerde STAT’s scheiden zich vervolgens van het receptor-heterodimeer en binden zich aan IRF9/p48, een lid van de IRF-familie (Interferon Regulatory Factor-9), waardoor een trimerische belangrijke interferongenfactor wordt gevormd die bekend staat als ISGF3 (Interferon-Stimulated Transcription Factor-3)-complex. Dit complex verplaatst zich naar de kern en bindt zich aan het cis-element ISRE (Ifn-stimulated Response Element), waardoor de transcriptie van verscheidene Ifn-induceerbare genen wordt geïnitieerd. Daarentegen leidt binding van het Ifn-gamma aan zijn receptor tot tyrosinefosforylering van de tyrosinekinasen JAK1 en JAK2, wat resulteert in de fosforylering van STAT1 maar niet van STAT2. Gefosforyleerde STAT1 homodimeert tot het GAF-AAF complex, dat zich naar de kern verplaatst en zich bindt aan het GAS element dat aanwezig is in de meeste Ifn-Gamma induceerbare genen.

Naast de voornaamste componenten van de pathway zijn nog andere effectoreiwitten geïdentificeerd die bijdragen tot ten minste een subset van de JAK/STAT signaleringsgebeurtenissen. STAM’s (signal-transducing adapter molecules) zijn adaptermoleculen met geconserveerde VHS- en SH3-domeinen. STAM1 en STAM2A kunnen door JAK1-JAK3 worden gefosforyleerd op een wijze die afhankelijk is van een derde domein dat in sommige STAMs aanwezig is, het ITAM (induceerbaar tyrosine-gebaseerd activeringsmotief). Via een slecht begrepen mechanisme vergemakkelijken de STAM’s de transcriptionele activering van specifieke doelgenen, waaronder Myc. Een tweede adapter die de activering van de JAK/STAT-route vergemakkelijkt is STATIP (STAT-Interacting Protein), een WD40-eiwit. STATIPs kunnen zich zowel met JAKs als met niet-gefosforyleerde STATs associëren, waardoor zij wellicht als een scaffold fungeren om de fosforylering van STATs door JAKs te vergemakkelijken. Een derde klasse van adapters die een functie hebben in JAK/STAT-signalering is de SH2B/Lnk/APS-familie. Deze eiwitten bevatten zowel pleckstrin homologie als SH2 domeinen en zijn ook substraten voor JAK fosforylering. Zowel SH2-Bß als APS associëren met JAK’s, maar de eerste vergemakkelijkt JAK/STAT-signalering, terwijl de laatste deze remt.

Naast de beïnvloeders van de JAK/STAT-route zijn er drie grote klassen van negatieve regulatoren: SOCS (suppressors of cytokine signaling), PIAS (protein inhibitors of activated STATs), en PTPs (protein tyrosine phosphatases). De eenvoudigste zijn wellicht de tyrosinefosfatasen, die de activiteit van de JAK’s omkeren. De best gekarakteriseerde hiervan is SHP-1. SHP-1 bevat twee SH2-domeinen en kan zich binden aan zowel gefosforyleerde JAK’s als gefosforyleerde receptoren om de defosforylering van deze geactiveerde signaalmoleculen te vergemakkelijken. Andere tyrosinefosfatasen, zoals CD45, blijken een rol te spelen in de regulering van JAK/STAT-signalering via een subset van receptoren. De tweede klasse van negatieve regulatoren omvat SOCS. SOCS-eiwitten zijn een familie van ten minste acht leden die een SH2-domein en een SOCS-box aan de C-terminus bevatten. Het kenmerk van de SOCS-familie is de SOCS-box, die de interactie met het Elongin-B/C-complex bemiddelt en de SOCS en de daarmee geassocieerde doeleiwitten JAK’s koppelt aan de proteasomale afbraakroute van eiwitten. De NH2-terminus van de SOCS box bevat een geconserveerd Elongin-B/C bindingsmotief (BC Box) dat bindt aan Elongin-C, dat op zijn beurt associeert met een complex bestaande uit Elongin-B, een lid van de Cullin familie, en het RING finger eiwit Rbx-1 om een multiproteïne complex te vormen dat in staat is om op te treden als een E3 ubiquitine ligase. Samen met een ATP-afhankelijk ubiquitine-activerend enzym (E1) en een ubiquitine-conjugerend enzym (E2) werkt het E3 ubiquitine-ligase om proximale eiwitten te taggen met polyubiquitineketens. Polyubiquitinering is bedoeld om eiwitten af te breken door het proteasoom. Ubiquitine wordt vervolgens gerecycleerd door dUB (deubiquitinerende enzymen) en de cyclus gaat verder. De SOCS voltooien een eenvoudige negatieve terugkoppellus in het JAK/STAT-circuit: geactiveerde STAT’s stimuleren de transcriptie van de SOCS-genen en de resulterende SOCS-eiwitten binden gefosforyleerde JAK’s en hun receptoren om de pathway uit te schakelen. De derde klasse van negatieve regulatoren zijn de PIAS-eiwitten: PIAS1, PIAS3, PIASx, en PIASy. De PIAS-eiwitten binden zich aan geactiveerde STAT-dimeren en verhinderen dat zij DNA binden. Het mechanisme waardoor de PIAS-eiwitten werken blijft onduidelijk. Onlangs is echter aangetoond dat PIAS-eiwitten zich associëren met het E2-conjugase Ubc9 en E3-conjugase-activiteit hebben voor sumoylering die gemedieerd wordt door het RING-vingerdomein. Hoewel er aanwijzingen zijn dat STATs gemodificeerd kunnen worden door sumoylering, is de functie van die modificatie in negatieve regulatie nog niet bekend.

Hoewel het mechanisme van JAK/STAT signalering relatief eenvoudig is, zijn de biologische gevolgen van activering van de pathway gecompliceerd door interacties met andere signaleringspathways. JAK/STAT signalering bevordert ook indirect de Ras signalering via de transcriptionele activatie van SOCS3. SOCS3 bindt RasGAP, een negatieve regulator van Ras signalering, en vermindert de activiteit ervan, waardoor activering van de Ras signaalroute wordt bevorderd. Omgekeerd bevordert de activiteit van de RTK pathway de JAK/STAT signalering door tenminste twee mechanismen. Ten eerste resulteert de activering van sommige RTK’s, waaronder EGFR en PDGFR, in de JAK-onafhankelijke tyrosinefosforylering van STAT’s, waarschijnlijk door het Src-kinase. Ten tweede leidt stimulatie van het RTK/Ras-pad tot de downstream activering van MAPK. MAPK fosforyleert specifiek een serine nabij de C-terminus van de meeste STATs. Bovendien kunnen de functies van geactiveerde STAT’s worden gewijzigd door associatie met andere transcriptiefactoren en cofactoren zoals p300, CBP (CREB-Binding Protein), BRCA1 (Breast Cancer-1 Gene), en MCM5 (Minichromosome Maintenance-5), die door andere signaalwegen worden gereguleerd. Naast de activering van STAT’s fosforyleren JAK-kinasen ook andere signaal/adaptoreiwitten, waardoor JAK-signalering wordt gekoppeld aan andere signaalroutes zoals de MAP-kinasen. JAK’s of STAT’s kunnen ook deelnemen aan de signalering via andere receptorklassen. STAT’s zijn ook betrokken bij vele ziekten zoals borstkanker (tumoren), hoofd- en nekkanker (cellijnen), multipel myeloom, Erythro-leukemie, acute myelocytaire leukemie, EBV-gerelateerd Burkitts lymfoom, en herpesvirussalmiri-afhankelijk lymfoom.