JAK2-STAT3信號通路介導骨關節炎發病機制的研究進展

宋國瑞，張晨，劉子歌，程萌旗，陳德勝

(1.寧夏醫科大學臨床醫學院，銀川 750004; 2.上海交通大學附屬第六人民醫院關節外科，上海 200233; 3.寧夏醫科大學總醫院骨科，銀川 750004)

骨關節炎嚴重影響人們的生活質量，以老年患者居多，其中65歲以上老年人群骨關節炎患者的比例達50%以上[1]。骨關節炎病變主要累及髖、膝負重大關節的關節軟骨、軟骨下骨及滑膜，部分患者以踝、手等小關節受累為主，病理改變以軟骨破壞、滑膜增生、骨贅形成、關節間隙變窄為主[2-3]。隨著我國人口老齡化進程的加快，骨關節疾病患病人數逐年增加，嚴重影響患者日常生活質量，因此，骨關節炎等相關骨關節疾病發病機制的研究十分重要。大量分子生物學實驗均證實，JAK激酶(Janus kinase，JAK)2/信號轉導及轉錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)3信號通路在介導骨關節炎炎癥反應過程中發揮了重要作用[4-6]。信號通路又稱信號轉導通路，指細胞在發生某種反應時，信號通路經一系列酶促反應激活，將細胞外分子信號經細胞膜傳入細胞內，引發細胞啟動應答反應[7-8]。與骨關節炎發病機制相關的常見信號通路有：①促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)信號通路；②Wnt信號通路；③核因子κB信號通路；④Notch信號通路；⑤轉化生長因子-β/骨形態發生蛋白信號通路；⑥其他信號通路，目前尚無某一種信號通路能夠完全闡釋骨關節炎的發病機制，因此，僅阻斷某一信號通路無法達到有效治療骨關節炎的目的[9-12]。目前，對骨關節炎發病機制相關經典信號通路的研究較成熟，JAK2-STAT3信號通路與骨關節炎發病機制的研究仍有待進一步探究。現就近年來國內外關于JAK2-STAT3信號通路介導骨關節炎發病機制的研究進展予以綜述，以期為骨關節炎發病機制的研究提供依據。

1 JAK2-STAT3信號通路的概述

1.1JAK2-STAT3信號通路的組成 JAK2-STAT3信號通路由JAK相關受體、JAK、STAT三部分組成。細胞外許多細胞因子、生長因子和激素[如白細胞介素(interleukin，IL)-2～IL-7、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、表皮生長因子、血小板衍生生長因子、生長激素、干擾素]作為常見細胞配體在細胞膜上均有各自相應的受體；許多受體本身不具有激酶活性，但其細胞內部具有JAK的結合位點，受體與配體結合可激活相應信號通路，從而進一步發生信號級聯反應[13-14]。

JAK是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶，JAK蛋白家族包括JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，其中JAK1、JAK2及TYK2存在于機體各種組織細胞中，而JAK3僅存在于骨髓和淋巴系統中。JAK1主要在細胞因子與受體結合過程中發揮作用；JAK2主要介導配體和受體間信號轉導；JAK3作用與JAK1相似，但僅在造血細胞中表達；TYK2主要調節淋巴細胞中的α干擾素、β干擾素、IL-6、IL-10和IL-12。研究發現，急性淋巴細胞性白血病患者存在TYK2缺陷[15-16]，故目前主要探討JAK2在骨關節炎研究中所介導的信號通路。

STAT蛋白在信號轉導和轉錄激活上發揮至關重要的作用，目前已發現STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6七個相關成員[17-18]。STAT蛋白的結構十分相似，但每種蛋白由不同的基因編碼，在結構上可分為以下幾個功能區段：C端轉錄激活區，N端保守序列，DNA結合區，SH2、SH3結構域，其中SH2結構域是最保守、最重要的區段[19-20]。

1.2JAK2-STAT3信號通路的作用 JAK2-STAT3信號通路由細胞因子刺激信號轉導通路，其主要作用是將來自細胞外的化學信號經一系列反應傳遞給細胞核，導致與細胞增殖、分化、損傷、氧化應激、炎癥反應、凋亡及免疫調節等許多相關重要基因DNA的轉錄和生物學表達[21-22]。細胞膜受體與細胞外配體結合，使受體分子發生二聚化，隨后配體-受體復合物在胞內募集JAK，胞內JAK通過酪氨酸磷酸化激活，激活的JAK催化受體上的酪氨酸殘基發生磷酸化，隨后被磷酸化的酪氨酸位點與周圍的氨基酸序列形成“停泊位點”，此時含有SH2結構域的STAT蛋白被招募，JAK催化STAT蛋白發生磷酸化，活化的STAT蛋白以二聚體形式進入細胞核并與靶基因結合，調控基因的轉錄，使細胞信號由細胞外轉入細胞內，完成細胞信號的轉導[15,23]。

2 JAK2-STAT3信號通路在骨關節炎發病機制中的作用

人體的諸多關節(如膝關節、髖關節)由軟骨、軟骨下骨、滑膜及周圍的韌帶所構成，骨關節炎是骨關節的非特異性炎癥性疾病，發病機制與關節內各種組織的炎癥反應密切相關，相關信號通路的研究對明確骨關節炎發病機制具有積極意義，可為骨關節炎的治療提供可靠的理論依據。

2.1JAK2-STAT3信號通路在骨關節炎滑膜及血清中的作用 滑膜為附著于關節囊、關節內韌帶、肌腱以及軟骨表面的結締組織，滑膜組織可分泌關節滑液，并具有強大的吞噬功能。關節的炎癥反應常繼發滑膜增生，因此，可通過檢測關節滑膜中炎癥因子、炎癥介質及相關蛋白的表達水平探索骨關節炎的發病機制。

通過抑制信號轉導通路所介導的炎癥反應可延緩疾病進展。翁艷等[24]對使用不同濃度JAK2/STAT3特異性抑制劑AG490處理股骨頭壞死大鼠模型的研究發現，不同濃度通路抑制劑均可在一定程度上抑制JAK2/STAT3信號通路，并引起相應因子及蛋白含量(JAK2、STAT3、血管內皮生長因子、缺氧誘導因子-1α、轉化生長因子-β、骨形態發生蛋白2、細胞色素P4503A、信使RNA)的變化。楊琳等[25]研究發現，秦艽醇提物對佐劑性關節炎大鼠血清IL-6和腫瘤壞死因子-α水平及滑膜組織磷酸化JAK2、STAT3的表達均有抑制作用。目前，磷酸化JAK2、STAT3的研究是相關研究的熱點[26-27]。Li等[28]的研究發現，類風濕關節炎患者滑液及血清CXC趨化因子配體16、CXC趨化因子受體6和核因子κB受體活化因子配體含量均高于骨關節炎患者，且經CXC趨化因子配體16治療類風濕關節炎患者促成纖維樣滑膜細胞中核因子κB受體活化因子配體含量顯著升高；當抑制劑阻斷STAT3或p38激活時，CXC趨化因子配體16不能上調核因子κB受體活化因子配體的表達，但抑制蛋白激酶B或胞外信號調節激酶通路并未達到同樣的效果，由此可見，CXC趨化因子配體16通過JAK2/STAT3和p38/MAPK信號通路的介導可上調類風濕關節炎患者促成纖維樣滑膜細胞中核因子κB受體活化因子配體的表達。鄧龍飛等[29]研究發現，威靈仙總皂苷可通過降低佐劑性關節炎大鼠滑膜組織中JAK2、STAT3信使RNA的表達抑制JAK2/STAT3信號通路。

2.2JAK2-STAT3信號通路在骨關節炎軟骨細胞代謝中的作用 軟骨細胞是合成和分泌基質與纖維的主要軟骨組織，其形態因存在部位不同而存在差異[30]。Xu等[31]通過對兔骨關節炎模型關節腔進行丹參注射干預并檢測關節軟骨JAK/STAT3和蛋白激酶B信號通路相關蛋白表達的研究發現，丹參可參與調控JAK2/STAT3和蛋白激酶B信號通路，減輕骨關節炎的關節軟骨破壞。劉軍等[6]對骨關節炎小鼠模型軟骨細胞JAK2/STAT3信號通路中相應蛋白進行分組檢測證實，抑制軟骨細胞凋亡能夠提高軟骨細胞線粒體抗氧化應激能力，且JAK2/STAT3信號通路參與了軟骨細胞凋亡的調節。胡炯等[32]分別檢測骨關節炎模型大鼠及健康大鼠關節軟骨中磷酸化-JAK2、磷酸化-STAT3、Bcl-2、Bax蛋白表達水平的研究發現，與健康大鼠相比，骨關節炎大鼠JAK2/STAT3信號通路受到明顯抑制，且軟骨細胞凋亡速度加快。Yao等[33]對小鼠骨關節炎模型的研究發現，DUSP19上調可通過激活JAK2/STAT3途徑抑制IL-1β誘導的軟骨細胞凋亡和基質金屬蛋白酶表達。

長鏈非編碼RNA是一類轉錄產物，不具有編碼蛋白質的功能，在多種生物學過程中發揮重要作用[34-37]。研究證實，骨關節炎患者的長鏈非編碼環狀 RNA顯著上調，長鏈非編碼環狀RNA的過表達促進了骨關節炎中軟骨細胞外基質的降解[38]。Zhang等[39]對全膝關節置換術骨關節炎患者關節軟骨的研究發現，骨關節炎患者軟骨組織中長鏈非編碼RNA-非蛋白編碼RNA的表達上調。非蛋白編碼RNA通過miR-216a-5p/JAK2/STAT3信號通路抑制骨關節炎軟骨細胞的炎癥和細胞增殖，并促進軟骨細胞的凋亡，提示非蛋白編碼RNA可能是治療骨關節炎的有效生物標志物和潛在治療靶點。柴立民等[40]對經益氣活血解毒方干預的小鼠血清和關節中相關基因表達的研究證實，益氣活血解毒方能夠抑制IL-6介導的JAK/STAT信號通路的活性，調節基質金屬蛋白酶/金屬蛋白酶組織抑制劑的失衡狀態，抑制關節軟骨及骨質的炎性損傷。

3 JAK2/STAT3信號通路的調控

3.1JAK2/STAT3的正向調控 信號轉導銜接分子、STAT-相互作用蛋白和SH2B/Lnk/APS家族是最常見的參與JAK2/STAT3信號通路的正向調控效應蛋白。信號轉導銜接分子包含VHS和SH3兩個結構域，能夠正向調控JAK2/STAT3信號通路，促進特定靶基因(如MYC)的轉錄激活；STAT-相互作用蛋白是一種WD40蛋白，可使JAK和非磷酸化的STAT相關聯，促進JAK磷酸化STAT；SH2B/Lnk/APS家族含有pleckstrin同源性和SH2結構域，也是JAK磷酸化的底物，其中SH2-Bβ可促進JAK/STAT信號轉導。

3.2JAK2/STAT3信號通路的負向調控 細胞因子信號轉導抑制因子、激活STAT蛋白抑制因子和蛋白酪氨酸磷酸酶是最常見的參與JAK2/STAT3信號通路負向調控的效應蛋白[4]。細胞因子信號轉導抑制因子通過結合受體上的酪氨酸或直接結合JAK特異性地抑制JAK的活性；此外，細胞因子信號轉導抑制因子還可與延伸蛋白BC復合物和cullin 2相互作用，促進JAK和可能受體的泛素化，負向調控JAK2/STAT3信號通路。激活STAT蛋白抑制因子能夠與激活的STAT二聚體結合并阻止其與DNA結合。蛋白酪氨酸磷酸酶通過改變JAK活性促使激活信號分子的去磷酸化，負向調節JAK/STAT信號轉導。

4 JAK2/STAT2與其他信號通路的相互作用

JAK2/STAT3通路的信號轉導機制較簡單，在骨關節炎發病機制中，多種信號轉導通路相互影響，相互作用，其中受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)/Ras/MAPK是最常見的相互作用通路，各信號轉導通路間的關系復雜。一方面，活化的JAK可磷酸化其相關受體上的酪氨酸，磷酸化的酪氨酸位點與周圍的氨基酸序列結合，可作為其他信號轉導通路中含有SH2結構域的停靠位點，如胰島素受體底物和p85的募集和JAK磷酸化，導致磷脂酰肌醇-3-激酶途徑的活化。JAK/STAT轉導信號通過細胞因子信號轉導抑制因子3與Ras信號負調節物RasGAP的結合，間接促進Ras信號轉導，并降低其活性，從而促進Ras途徑的激活。另一方面，RTK通路活性可通過至少兩種機制促進JAK/STAT信號轉導：①某些RTK(表皮生長因子受體和血小板衍生生長因子受體)的激活可導致STAT的JAK非依賴性酪氨酸磷酸化，其機制可能由Src激酶引起；②RTK/Ras通路刺激可引起MAPK的下游激活，MAPK可特異性磷酸化大多數STAT C端的絲氨酸。盡管對于STAT活性不是絕對必要的，但是這種絲氨酸磷酸化能夠通過STAT顯著增強轉錄激活。除RTK和磷脂酰肌醇-3-激酶與JAK/STAT信號轉導通路的相互作用外，轉化生長因子-β信號轉導通路亦可與JAK/STAT信號轉導通路存在多重交互[41]。

5 小 結

骨關節炎的病因及發病機制相對復雜，與多因素、多層次綜合因素相關，具體機制目前尚未完全闡明。JAK2-STAT3信號轉導通路參與介導了骨關節炎的發生、發展，在骨關節炎發病機制中，各信號通路相互影響、相互作用，僅抑制某一信號通路治療骨關節炎的療效欠佳；利用各信號轉導通路間的相互作用對骨關節炎進行綜合治療才可能獲得良好的療效。目前，JAK2-STAT3信號轉導通路參與骨關節炎發病機制的研究仍處于初期研究階段，隨著研究的不斷深入，對骨關節炎發病機制的認識將逐漸明確，將為骨關節炎的臨床治療帶來新的希望。