JAK-STAT信號通路與巨噬細(xì)胞炎癥調(diào)控的研究進(jìn)展

趙九洲，姜曉旭，李宏偉，覃梓瀚，陳宇豪，劉 瑞，陳子卓，海春旭，，李文麗，，于衛(wèi)華，

(1．空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院毒理學(xué)教研室，陜西省自由基生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，特殊作業(yè)環(huán)境危害評估與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710032；2．空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院學(xué)員大隊，陜西 西安 710032；3．空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院綜合診療科，陜西 西安 710032)

巨噬細(xì)胞是機(jī)體內(nèi)廣泛存在的固有免疫細(xì)胞，在感染和非感染性炎癥疾病中均發(fā)揮關(guān)鍵作用。巨噬細(xì)胞在感染和脂多糖等刺激下發(fā)生M1 型極化，釋放大量促炎因子，如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白介素6(interleukin 6，IL-6)和IL-1β等。而M2型分化巨噬細(xì)胞則會分泌IL-4和IL-10等抗炎因子。近年來，有關(guān)巨噬細(xì)胞炎癥分化調(diào)控及其生物學(xué)功能的研究成為了國際新熱點(diǎn)。研究表明，JAK-STAT 在多種炎癥因子刺激下激活，進(jìn)而發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能，影響巨噬細(xì)胞的分化和炎癥。由于炎癥因子種類繁雜，JAKSTAT 信號通路也存在諸多亞型，闡明二者相互關(guān)系，對于認(rèn)識巨噬細(xì)胞極化和炎癥發(fā)展過程意義重大。

1 JAK-STAT信號通路簡介

Janus 激酶(Janus kinases，JAKs)是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶，可在眾多細(xì)胞因子作用下激活，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子(signal transducers and activators of transcription，STATs)啟動下游靶基因，進(jìn)而發(fā)揮其細(xì)胞生物功能的調(diào)控作用。研究表明，JAK-STAT 途徑在進(jìn)化過程中高度保守，基因突變和異常表達(dá)會導(dǎo)致炎癥、免疫缺陷和腫瘤等多種疾病[1-3]。JAK-STAT 通路傳導(dǎo)主要由3 部分構(gòu)成：酪氨酸激酶相關(guān)受體、JAKs 和 STATs。目前已經(jīng)確定的 JAKs 有 4 種：JAK1、JAK2、JAK3 和酪氨酸激酶2(tyrosine kinase 2，TYK2)。其中，JAK3僅存在于骨髓和淋巴細(xì)胞中，而其他3個成員則廣泛存在于機(jī)體各組織和器官中。STATs 由6 個成員構(gòu)成，即STAT1～STAT6，含有734～851 個氨基酸，廣泛分布于各組織。STATs蛋白主要包含5段結(jié)構(gòu)域：N-端保守序列、DNA結(jié)合區(qū)、SH3(src homology 3)結(jié)構(gòu)區(qū)、SH2 結(jié)構(gòu)區(qū)和C-端轉(zhuǎn)錄激活序列。而STATs的SH2結(jié)構(gòu)區(qū)與JAK中的對應(yīng)核心序列完全相同，負(fù)責(zé)識別特異性的JAK。JAK-STAT 基本信號傳導(dǎo)過程如下：當(dāng)細(xì)胞因子與細(xì)胞表面受體結(jié)合后，受體分子發(fā)生二聚化，并促進(jìn)JAKs 聚合和磷酸化，活化的JAKs 可與STATs 的SH2 結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，STATs 磷酸化修飾后激活，并最終以同源或異源二聚體形式進(jìn)入細(xì)胞核，啟動靶基因的轉(zhuǎn)錄[4]。

2 炎癥因子對JAK-STAT信號通路的激活調(diào)控

研究發(fā)現(xiàn)，γ干擾素(interferon-γ，IFN-γ)和白介素等炎癥因子可促進(jìn)JAK-STAT 信號通路激活，進(jìn)而發(fā)揮其免疫調(diào)控功能。JAK-STAT 基因突變和功能缺失，往往會引起動物自身免疫缺陷和腫瘤發(fā)生，甚至?xí)?dǎo)致胚胎致死風(fēng)險[5]。IL-6 是機(jī)體免疫應(yīng)答的重要炎癥介質(zhì)，即可由T 細(xì)胞、B 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等表達(dá)分泌。IL-6 結(jié)合受體后可活化JAK1，并促使STAT3 的磷酸化和轉(zhuǎn)錄激活，最終調(diào)控T 細(xì)胞的分化和炎癥反應(yīng)[6]。IFN-γ是重要的巨噬細(xì)胞活化因子，主要由T細(xì)胞和NK細(xì)胞生成。IFN-γ與其受體結(jié)合，可促進(jìn)JAK1 與JAK2 形成二聚體和磷酸化，并進(jìn)一步誘導(dǎo)STAT1磷酸化和二聚體形成，最終在核內(nèi)啟動IL-2 和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)等下游靶基因表達(dá)，參與機(jī)體抗感染應(yīng)答[7]。巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte macrophage colony stimulating factor，GM-CSF)則通過激活 JAK2 和 STAT5，參與調(diào)控骨髓細(xì)胞、紅細(xì)胞和血小板的生成[8]。而IL-2 和IL-21 可激活JAK1/JAK3，并通過STAT3轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控淋巴細(xì)胞的增殖和穩(wěn)態(tài)[9]。IL-4和IL-13則可通過JAK1-STAT6途徑，調(diào)控T細(xì)胞和B 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的分化[10]。IFN-γ可選擇性激活STAT1，IL-6 可選擇性激活STAT3，GM-CSF 可選擇性的激活STAT5。然而，STAT1 也可以被IL-2、IL-4、IL-10 和IFN-β等激活，STAT3和STAT5也可以被IL-2和IL-4等激活?？梢姡环NJAK激酶可參與多種細(xì)胞因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，一種細(xì)胞因子也可影響多種JAK 酶的活性，但某些細(xì)胞因子對STAT 的激活卻具有相對的選擇性。

3 JAK-STAT對巨噬細(xì)胞炎癥走向的調(diào)控作用

JAK-STAT 信號通路與巨噬細(xì)胞炎癥分化關(guān)系密切。炎癥因子種類復(fù)雜，可激活相應(yīng)的JAK-STAT，發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活功能，進(jìn)而影響巨噬細(xì)胞的M1/M2型分化和炎癥走向。

3.1 JAK-STAT與巨噬細(xì)胞的促炎調(diào)控

巨噬細(xì)胞在促炎因子刺激下，可釋放一系列促炎因子，而這些細(xì)胞因子可進(jìn)一步促進(jìn)巨噬細(xì)胞的募集和M1 型極化，形成惡性循環(huán)，這也就解釋了機(jī)體炎癥反應(yīng)的自我放大效應(yīng)和相關(guān)疾病的治療困境。大量研究顯示，JAK-STAT 信號通路可能與巨噬細(xì)胞的促炎分化密切相關(guān)。與野生型小鼠相比，TYK2、STAT1 和STAT4 缺失小鼠對內(nèi)毒素的抵抗作用顯著增強(qiáng)，主要表現(xiàn)為巨噬細(xì)胞的M1 型極化和促炎因子分泌的減少[11]。而JAK2可通過調(diào)控多種STAT 亞型活化，參與巨噬細(xì)胞的免疫功能調(diào)控，給予JAK2 抑制劑AG490 可顯著抑制LPS 和IFN-γ誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中HMGB1 和IL-6 分泌。在盲腸穿刺的小鼠膿毒血癥模型中，通過抑制劑和基因敲減干預(yù)JAK2-STAT3通路，可有效阻斷核轉(zhuǎn)錄因子kappa-B(nuclear factor kappa-B， NF-κB)激 活 ， 提 高 小 鼠 的 生 存 率[12]。 STAT1 抑 制 劑Fludarabine 可阻斷LPS 誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞iNOS 和NO 合成增多。研究發(fā)現(xiàn)敲減JAK2或STAT5，可顯著降低LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞表達(dá)IL-6。此外，還有研究認(rèn)為JAK-STAT 通路可與Toll 樣受體(toll like receptor，TLR)交互作用，共同調(diào)控巨噬細(xì)胞的M1型極化和炎癥反應(yīng)[13]。由此可見，JAK-STAT 可能在巨噬細(xì)胞炎癥啟動調(diào)控中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

3.2 JAK-STAT與巨噬細(xì)胞的抗炎調(diào)控

M2型巨噬細(xì)胞可分泌IL-4和IL-10等抗炎因子，在機(jī)體的炎癥消除和創(chuàng)傷修復(fù)中扮演重要角色。研究發(fā)現(xiàn)，JAK-STAT可能參與了巨噬細(xì)胞M2型激活和抗炎分化的調(diào)控過程。IL-10可抑制LPS 誘導(dǎo)的TNF-α表達(dá)，而這一作用則依賴于JAK1。JAK1 可激活STAT3，進(jìn)而參與巨噬細(xì)胞抗炎因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[14]。骨髓特異性敲除STAT3的小鼠會分泌大量的TNF-a 等促炎因子，而給予IL-10 則無法抑制炎癥的發(fā)展[15]。而有關(guān)STAT6 在炎癥調(diào)控中的作用存在一定的爭議。一些研究發(fā)現(xiàn)，STAT6 缺失小鼠會對盲腸穿刺引起的膿毒血癥產(chǎn)生抵抗作用，促炎因子水平和組織炎癥損傷較野生型動物組顯著降低，認(rèn)為STAT6 活化促進(jìn)了機(jī)體炎癥反應(yīng)[16]。而大多數(shù)研究則支持STAT6的激活是巨噬細(xì)胞抗炎分化中的關(guān)鍵事件，與野生型毒物相比，STAT6基因缺失小鼠的炎癥水平和死亡率更高[17]。在IL-4 刺激的M2 型分化巨噬細(xì)胞中，檢測到STAT6 磷酸化顯著升高，沉默STAT6可逆轉(zhuǎn)IL-4誘導(dǎo)的抗炎相關(guān)因子分泌[18]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)STAT4基因缺失可顯著促使巨噬細(xì)胞的M2 型極化，并改善LPS 誘導(dǎo)的小鼠急性肺損傷[19-20]。Fukao 等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，Th2 型細(xì)胞因子可刺激巨噬細(xì)胞STAT4 磷酸化，抑制IFN-γ以及NO 等促炎因子的表達(dá)?？梢?，STAT4 與巨噬細(xì)胞M2 型極化的調(diào)控關(guān)系也存在爭議，但大多數(shù)研究認(rèn)為STAT4激活促使巨噬細(xì)胞抗炎分化，相關(guān)問題仍需進(jìn)一步深入研究。

4 JAK-STAT信號抑制劑在炎癥相關(guān)疾病中的應(yīng)用

鑒于JAK/STAT 信號通路與炎癥疾病的密切關(guān)系，相關(guān)小分子抑制的研發(fā)及在疾病中應(yīng)用成為了國際上研究的熱點(diǎn)[22]。由于JAK 和STAT 家族成員眾多，且彼此結(jié)構(gòu)相似，多數(shù)JAK抑制劑特異性較差。Ruxolitinib 是一種JAK1 和JAK2 的小分子抑制劑，目前已被美國食品與藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)上市，專門用于治療骨髓纖維化。臨床研究證實(shí)，口服Ruxolitinib 可有效抑制骨髓纖維化患者的脾臟增大和炎癥因子增多[23-24]。在2018年的一項隨機(jī)雙盲臨床研究，研究者使用Ruxolitinib 治療乳腺癌和全身性炎癥疾病，患者病情均得到明顯改善[25]。而美國哥倫比亞大學(xué)的研究則認(rèn)為，Ruxolitinib 可阻斷免疫細(xì)胞對頭發(fā)毛囊的破壞，可令禿頭或脫發(fā)患者重新長出頭發(fā)[26]。Tofacitinib 是輝瑞公司開發(fā)的一款新型JAK 抑制劑，不僅可阻斷JAK1和JAK2激活，還可強(qiáng)力抑制JAK3，目前主要用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療[27]。而AG490 作為一種JAK2 和JAK3 的抑制劑，在基礎(chǔ)研究中大量使用，在膿毒血癥、心肌缺血再灌注和腫瘤等疾病治療中顯示出良好的效果[28-29]。關(guān)于STATs 抑制劑的研究較多的是STAT3，產(chǎn)品種類比較豐富，包括Stattic、Napabucasin 和 Artesunate 等。2017 年 Drugs 報道表明，STAT3抑制劑Napabucasin 可降低癌癥干細(xì)胞的活性，增強(qiáng)動物抗腫瘤免疫活性，阻止多種癌癥的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移[30]。Stattic 可通過抑制STAT3 而降低腫瘤組織內(nèi)巨噬細(xì)胞的M2 型，進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤作用[31]。此外，大量研究表明，姜黃素、紅景天苷和黃芪等中醫(yī)藥可抑制JAK/STAT 信號通路，并在多種炎癥相關(guān)疾病中顯示出良好效果[32-33]?？梢?，JAK/STAT在炎癥和免疫相關(guān)疾病中應(yīng)用前景較廣，值得進(jìn)一步的深入研究和挖掘。

5 小 結(jié)

JAK-STAT 是機(jī)體內(nèi)重要的信號傳導(dǎo)通路，尤其在炎癥反應(yīng)和巨噬細(xì)胞活化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。本文就JAK-STAT 信號通路與巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述。細(xì)胞因子和JAK-STAT 的激活調(diào)控關(guān)系復(fù)雜，一種JAK 激酶可能被多種細(xì)胞因子激活，一種細(xì)胞因子也可能影響多種STAT 酶活性。但某些細(xì)胞因子對STAT 的激活卻具有相對的選擇性，如IL-6可選擇性激活STAT3，GM-CSF 可選擇性地激活STAT5。此外，在外界刺激因素和機(jī)體分泌的炎癥因子作用下，巨噬細(xì)胞內(nèi)JAK-STAT 通路激活，可反饋調(diào)控巨噬細(xì)胞自身的分化。一方面，在致炎因子刺激下巨噬細(xì)胞JAK2及其下游的多種STAT被激活，進(jìn)而增強(qiáng)相關(guān)促炎基因表達(dá)。另一方面，在IL-4和IL-10 刺激下，巨噬細(xì)胞的STAT4 和STAT6 激活，進(jìn)而調(diào)控Arg1等抗炎因子表達(dá)升高。事實(shí)上，炎癥因子與JAK-STAT 的相關(guān)調(diào)控研究尚不完全清楚，很多研究還存在爭議，有待于進(jìn)一步完善。

毋庸置疑的是，JAK-STAT 通路和炎癥因子關(guān)系密切，炎癥因子可刺激JAK-STAT 信號激活，而JAK-STAT 途徑可通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用影響炎癥因子的表達(dá)。此外，我們還探討了JAK-STAT 通路抑制劑在炎癥和免疫相關(guān)疾病中應(yīng)用，目前開發(fā)的JAK-STAT 抑制劑種類較多，但特異性不是很好。盡管如此，已有多款小分子抑制劑已經(jīng)獲批上市，并廣泛用于自身免疫病和腫瘤的治療。因此，JAK-STAT 相關(guān)藥物研發(fā)前景光明，但藥物特異性和安全性問題研究任重而道遠(yuǎn)。