Szlak JAK/STAT

Mechanistycznie rzecz biorąc, sygnalizacja JAK/STAT jest stosunkowo prosta, z zaledwie kilkoma głównymi komponentami. Różne ligandy, w tym cytokiny, hormony i czynniki wzrostu, oraz ich receptory stymulują szlak JAK/STAT. Wewnątrzkomórkowa aktywacja następuje, gdy wiązanie ligandu indukuje multimeryzację podjednostek receptora. Dla niektórych ligandów, takich jak Epo (erytropoetyna) i GH (hormon wzrostu), podjednostki receptora są związane jako homodimery, podczas gdy dla innych, takich jak Ifns (interferony) i ILs (interleukiny), podjednostki receptora są heteromultimery. W celu propagacji sygnału, domeny cytoplazmatyczne dwóch podjednostek receptora muszą być związane z kinazami tyrozynowymi JAK. Aktywacja JAK następuje w momencie multimeryzacji receptora pod wpływem liganda, ponieważ dwa JAK znajdują się w bliskim sąsiedztwie, co umożliwia trans-fosforylację. Aktywowane JAK fosforylują następnie dodatkowe cele, w tym receptory i główne substraty, STAT. Siedem STAT u ssaków posiada konserwowaną resztę tyrozynową w pobliżu C-końca, która jest fosforylowana przez JAK. Fosfotyrozyna ta umożliwia dimeryzację STAT poprzez interakcję z konserwowaną domeną SH2. Różne JAKs i STATs są aktywowane przez różne ligandy. Na przykład, hormony takie jak GH, Epo i Tpo (trombopoetyna) generalnie stymulują aktywację JAK2 oraz STAT3 i 5. Fosforylowane STAT przedostają się do jądra w mechanizmie zależnym od importu alfa-5 (zwanego również interaktorem nukleoproteinowym 1) i szlaku importu jądrowego Ran. Po umieszczeniu w jądrze dimeryzowane STAT wiążą się z określonymi sekwencjami regulatorowymi w celu aktywacji lub represji transkrypcji genów docelowych. W ten sposób kaskada JAK/STAT zapewnia bezpośredni mechanizm przełożenia sygnału zewnątrzkomórkowego na odpowiedź transkrypcyjną. RTK (receptorowe kinazy tyrozynowe) powszechnie aktywują sygnalizację Ras/Raf/MEK/ERK, ale gdy są nadmiernie aktywowane, mogą również indukować ścieżkę JAK/STAT, pierwotnie zidentyfikowaną jako kaskada sygnalizacji za receptorami cytokin.

Cytokiny i ich receptory są głównymi aktywatorami ścieżki JAK/STAT. Ifns są cytokinami przeciwwirusowymi, które są produkowane przez wiele typów komórek po infekcji wirusowej. Ifn klasyfikowane są jako typ I lub typ II. Do Ifn typu I należą Ifn-Alfa, -Beta, -Omega i -Tau, które są monomeryczne; jedynym Ifn typu II jest Ifn-Gamma, dimer. Ifn typu I i II wiążą się z różnymi receptorami i aktywują nakładające się na siebie, ale odrębne geny. Ifn są bardzo ważnymi regulatorami szlaku JAK/STAT. Ifn-AlphaBetaR składa się z dwóch podjednostek, IfnAR1 i IfnAR2, które po stymulacji Ifn tworzą heterodimer. Zapoczątkowuje to aktywację dwóch kinaz tyrozynowych z rodziny Janus, JAK1 i TYK2, a następnie fosforylację białek STAT1 i STAT2 (Signal Transducers and Activators of Transcription). Następnie ufosforylowane STAT odłączają się od heterodimeru receptora i wiążą się z IRF9/p48, członkiem rodziny IRF (Interferon Regulatory Factor-9), tworząc trimeryczny główny czynnik genowy interferonu, znany jako kompleks ISGF3 (Interferon-Stimulated Transcription Factor-3). Kompleks ten ulega translokacji do jądra komórkowego i wiąże się z elementem cis ISRE (Ifn-stimulated Response Element), inicjując w ten sposób transkrypcję kilku genów indukowanych przez Ifn. Z kolei związanie Ifn-Gamma z receptorem prowadzi do fosforylacji tyrozyny przez kinazy tyrozynowe JAK1 i JAK2, co skutkuje fosforylacją STAT1, ale nie STAT2. Fosforylowany STAT1 homodimeryzuje, tworząc kompleks GAF-AAF, który przemieszcza się do jądra i wiąże się z elementem GAS obecnym w większości genów indukowanych przez Ifn-Gamma.

Oprócz głównych składników szlaku zidentyfikowano również inne białka efektorowe, które uczestniczą w przynajmniej części zdarzeń sygnalizacyjnych JAK/STAT. STAMs (signal-transducing adapter molecules) to cząsteczki adaptorowe z konserwowanymi domenami VHS i SH3. STAM1 i STAM2A mogą być fosforylowane przez JAK1-JAK3 w sposób, który jest zależny od trzeciej domeny obecnej w niektórych STAM, ITAM (inducible tyrosine-based activation motif). Poprzez słabo poznany mechanizm, STAM ułatwiają aktywację transkrypcyjną specyficznych genów docelowych, w tym Myc. Drugim adapterem ułatwiającym aktywację szlaku JAK/STAT jest STATIP (STAT-Interacting Protein), białko WD40. STATIP może łączyć się zarówno z JAK, jak i z niefosforylowanymi STAT, służąc jako rusztowanie ułatwiające fosforylację STAT przez JAK. Trzecią klasą adapterów pełniących funkcje w sygnalizacji JAK/STAT jest rodzina SH2B/Lnk/APS. Białka te zawierają zarówno domenę homologii pleckstrin, jak i domenę SH2 i są również substratami fosforylacji JAK. Zarówno SH2-Bß, jak i APS wiążą się z JAK, ale pierwsze z nich ułatwia sygnalizację JAK/STAT, podczas gdy drugie ją hamuje .

Oprócz efektorów szlaku JAK/STAT istnieją trzy główne klasy negatywnych regulatorów: SOCS (suppressors of cytokine signaling), PIAS (protein inhibitors of activated STATs) i PTPs (protein tyrosine phosphatases). Być może najprostsze są fosfatazy tyrozynowe, które odwracają aktywność JAK. Najlepiej scharakteryzowaną z nich jest SHP-1. SHP-1 zawiera dwie domeny SH2 i może wiązać się z fosforylowanymi JAK lub fosforylowanymi receptorami, aby ułatwić deposforylację tych aktywowanych cząsteczek sygnałowych. Inne fosfatazy tyrozynowe, takie jak CD45, wydają się odgrywać rolę w regulacji sygnalizacji JAK/STAT poprzez podzbiór receptorów. Do drugiej klasy negatywnych regulatorów należą SOCS. Białka SOCS to rodzina co najmniej ośmiu członków zawierających domenę SH2 oraz SOCS box na C-końcu. Cechą charakterystyczną rodziny SOCS jest SOCS box, który pośredniczy w interakcji z kompleksem Elongin-B/C oraz sprzęga SOCS i związane z nim białka docelowe JAK ze szlakiem proteasomalnej degradacji białek. NH2-terminus SOCS Box zawiera konserwowany motyw wiążący Elongin-B/C (BC Box), który wiąże się z Elongin-C, który z kolei łączy się z kompleksem składającym się z Elongin-B, członka rodziny Cullin i białka RING finger Rbx-1, tworząc kompleks wielobiałkowy zdolny do działania jako ligazy E3 ubikwityny. Wraz z zależnym od ATP enzymem aktywującym ubikwitynę (E1) i enzymem sprzęgającym ubikwitynę (E2), ligaza ubikwitynowa E3 działa w celu oznaczenia proksymalnych białek łańcuchami polubikwityny. Polikwitynacja kieruje białka do degradacji przez proteasom. Ubikwityna jest następnie utylizowana przez dUB (enzymy deubikwitynujące) i cykl jest kontynuowany. SOCS uzupełniają prostą pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego w układzie JAK/STAT: aktywowane STAT stymulują transkrypcję genów SOCS, a powstałe w ten sposób białka SOCS wiążą fosforylowane JAK i ich receptory, wyłączając szlak. Trzecią klasę negatywnych regulatorów stanowią białka PIAS: PIAS1, PIAS3, PIASx i PIASy. Białka PIAS wiążą się do aktywowanych dimerów STAT i uniemożliwiają im wiązanie DNA. Mechanizm działania białek PIAS pozostaje niejasny. Jednak ostatnio wykazano, że białka PIAS łączą się z koniugazą E2 Ubc9 i posiadają aktywność koniugacji E3 do sumoilacji, w której pośredniczy domena palca RING. Chociaż istnieją dowody, że STAT mogą być modyfikowane przez sumoilację, funkcja tej modyfikacji w negatywnej regulacji nie jest jeszcze znana .

Mimo że mechanizm sygnalizacji JAK/STAT jest stosunkowo prosty, biologiczne konsekwencje aktywacji szlaku są skomplikowane przez interakcje z innymi szlakami sygnalizacyjnymi. Sygnalizacja JAK/STAT pośrednio promuje również sygnalizację Ras poprzez transkrypcyjną aktywację SOCS3. SOCS3 wiąże RasGAP, negatywny regulator sygnalizacji Ras, i zmniejsza jego aktywność, promując w ten sposób aktywację szlaku Ras. Odwrotnie, aktywność szlaku RTK promuje sygnalizację JAK/STAT przez co najmniej dwa mechanizmy. Po pierwsze, aktywacja niektórych RTK, w tym EGFR i PDGFR, powoduje niezależną od JAK fosforylację tyrozyny STAT, prawdopodobnie przez kinazę Src. Po drugie, stymulacja szlaku RTK/Ras powoduje aktywację MAPK. MAPK specyficznie fosforyluje serynę w pobliżu C-końca większości STAT. Ponadto, funkcje aktywowanych STAT mogą być zmieniane poprzez asocjację z innymi czynnikami transkrypcyjnymi i kofaktorami, takimi jak p300, CBP (CREB-Binding Protein), BRCA1 (Breast Cancer-1 Gene) i MCM5 (Minichromosome Maintenance-5), które są regulowane przez inne szlaki sygnałowe. Oprócz aktywacji STAT, kinazy JAK fosforylują inne białka sygnałowe/adaptorowe, łącząc sygnalizację JAK z innymi szlakami, takimi jak kinazy MAP. JAK lub STAT mogą również uczestniczyć w sygnalizacji za pośrednictwem innych klas receptorów. STAT są również zaangażowane w wiele chorób, takich jak rak piersi (guzy), rak głowy i szyi (linie komórkowe), szpiczak mnogi, białaczka Erythro, ostra białaczka mielocytowa, chłoniak Burkitta związany z EBV i chłoniak Salmiri-zależny wywołany wirusem opryszczki .