JAK-STAT信號通路與巨噬細胞炎癥調控的研究進展

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，，于衛華，

(1．空軍軍醫大學軍事預防醫學院毒理學教研室，陜西省自由基生物學重點實驗室，特殊作業環境危害評估與防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710032；2．空軍軍醫大學基礎醫學院學員大隊，陜西 西安 710032；3．空軍軍醫大學第一附屬醫院綜合診療科，陜西 西安 710032)

巨噬細胞是機體內廣泛存在的固有免疫細胞，在感染和非感染性炎癥疾病中均發揮關鍵作用。巨噬細胞在感染和脂多糖等刺激下發生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型分化巨噬細胞則會分泌IL-4和IL-10等抗炎因子。近年來，有關巨噬細胞炎癥分化調控及其生物學功能的研究成為了國際新熱點。研究表明，JAK-STAT 在多種炎癥因子刺激下激活，進而發揮信號轉導和轉錄調控功能，影響巨噬細胞的分化和炎癥。由于炎癥因子種類繁雜，JAKSTAT 信號通路也存在諸多亞型，闡明二者相互關系，對于認識巨噬細胞極化和炎癥發展過程意義重大。

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，可在眾多細胞因子作用下激活，通過信號轉導子和轉錄激活子(signal transducers and activators of transcription，STATs)啟動下游靶基因，進而發揮其細胞生物功能的調控作用。研究表明，JAK-STAT 途徑在進化過程中高度保守，基因突變和異常表達會導致炎癥、免疫缺陷和腫瘤等多種疾病[1-3]。JAK-STAT 通路傳導主要由3 部分構成：酪氨酸激酶相關受體、JAKs 和 STATs。目前已經確定的 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胞中，而其他3個成員則廣泛存在于機體各組織和器官中。STATs 由6 個成員構成，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段結構域：N-端保守序列、DNA結合區、SH3(src homology 3)結構區、SH2 結構區和C-端轉錄激活序列。而STATs的SH2結構區與JAK中的對應核心序列完全相同，負責識別特異性的JAK。JAK-STAT 基本信號傳導過程如下：當細胞因子與細胞表面受體結合后，受體分子發生二聚化，并促進JAKs 聚合和磷酸化，活化的JAKs 可與STATs 的SH2 結構域相結合，STATs 磷酸化修飾后激活，并最終以同源或異源二聚體形式進入細胞核，啟動靶基因的轉錄[4]。

2 炎癥因子對JAK-STAT信號通路的激活調控

研究發現，γ干擾素(interferon-γ，IFN-γ)和白介素等炎癥因子可促進JAK-STAT 信號通路激活，進而發揮其免疫調控功能。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生，甚至會導致胚胎致死風險[5]。IL-6 是機體免疫應答的重要炎癥介質，即可由T 細胞、B 細胞和巨噬細胞等表達分泌。IL-6 結合受體后可活化JAK1，并促使STAT3 的磷酸化和轉錄激活，最終調控T 細胞的分化和炎癥反應[6]。IFN-γ是重要的巨噬細胞活化因子，主要由T細胞和NK細胞生成。IFN-γ與其受體結合，可促進JAK1 與JAK2 形成二聚體和磷酸化，并進一步誘導STAT1磷酸化和二聚體形成，最終在核內啟動IL-2 和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)等下游靶基因表達，參與機體抗感染應答[7]。巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte macrophage colony stimulating factor，GM-CSF)則通過激活 JAK2 和 STAT5，參與調控骨髓細胞、紅細胞和血小板的生成[8]。而IL-2 和IL-21 可激活JAK1/JAK3，并通過STAT3轉錄因子調控淋巴細胞的增殖和穩態[9]。IL-4和IL-13則可通過JAK1-STAT6途徑，調控T細胞和B 細胞和巨噬細胞的分化[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。可見，一種JAK激酶可參與多種細胞因子的信號轉導，一種細胞因子也可影響多種JAK 酶的活性，但某些細胞因子對STAT 的激活卻具有相對的選擇性。

3 JAK-STAT對巨噬細胞炎癥走向的調控作用

JAK-STAT 信號通路與巨噬細胞炎癥分化關系密切。炎癥因子種類復雜，可激活相應的JAK-STAT，發揮信號轉導和轉錄激活功能，進而影響巨噬細胞的M1/M2型分化和炎癥走向。

3.1 JAK-STAT與巨噬細胞的促炎調控

巨噬細胞在促炎因子刺激下，可釋放一系列促炎因子，而這些細胞因子可進一步促進巨噬細胞的募集和M1 型極化，形成惡性循環，這也就解釋了機體炎癥反應的自我放大效應和相關疾病的治療困境。大量研究顯示，JAK-STAT 信號通路可能與巨噬細胞的促炎分化密切相關。與野生型小鼠相比，TYK2、STAT1 和STAT4 缺失小鼠對內毒素的抵抗作用顯著增強，主要表現為巨噬細胞的M1 型極化和促炎因子分泌的減少[11]。而JAK2可通過調控多種STAT 亞型活化，參與巨噬細胞的免疫功能調控，給予JAK2 抑制劑AG490 可顯著抑制LPS 和IFN-γ誘導巨噬細胞中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JAK2-STAT3通路，可有效阻斷核轉錄因子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 誘導的巨噬細胞iNOS 和NO 合成增多。研究發現敲減JAK2或STAT5，可顯著降低LPS誘導的巨噬細胞表達IL-6。此外，還有研究認為JAK-STAT 通路可與Toll 樣受體(toll like receptor，TLR)交互作用，共同調控巨噬細胞的M1型極化和炎癥反應[13]。由此可見，JAK-STAT 可能在巨噬細胞炎癥啟動調控中發揮了關鍵作用。

3.2 JAK-STAT與巨噬細胞的抗炎調控

M2型巨噬細胞可分泌IL-4和IL-10等抗炎因子，在機體的炎癥消除和創傷修復中扮演重要角色。研究發現，JAK-STAT可能參與了巨噬細胞M2型激活和抗炎分化的調控過程。IL-10可抑制LPS 誘導的TNF-α表達，而這一作用則依賴于JAK1。JAK1 可激活STAT3，進而參與巨噬細胞抗炎因子的轉錄調控[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展[15]。而有關STAT6 在炎癥調控中的作用存在一定的爭議。一些研究發現，STAT6 缺失小鼠會對盲腸穿刺引起的膿毒血癥產生抵抗作用，促炎因子水平和組織炎癥損傷較野生型動物組顯著降低，認為STAT6 活化促進了機體炎癥反應[16]。而大多數研究則支持STAT6的激活是巨噬細胞抗炎分化中的關鍵事件，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 型分化巨噬細胞中，檢測到STAT6 磷酸化顯著升高，沉默STAT6可逆轉IL-4誘導的抗炎相關因子分泌[18]。此外，研究還發現STAT4基因缺失可顯著促使巨噬細胞的M2 型極化，并改善LPS 誘導的小鼠急性肺損傷[19-20]。Fukao 等[21]的研究發現，Th2 型細胞因子可刺激巨噬細胞STAT4 磷酸化，抑制IFN-γ以及NO 等促炎因子的表達。可見，STAT4 與巨噬細胞M2 型極化的調控關系也存在爭議，但大多數研究認為STAT4激活促使巨噬細胞抗炎分化，相關問題仍需進一步深入研究。

4 JAK-STAT信號抑制劑在炎癥相關疾病中的應用

鑒于JAK/STAT 信號通路與炎癥疾病的密切關系，相關小分子抑制的研發及在疾病中應用成為了國際上研究的熱點[22]。由于JAK 和STAT 家族成員眾多，且彼此結構相似，多數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)批準上市，專門用于治療骨髓纖維化。臨床研究證實，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的研究則認為，Ruxolitinib 可阻斷免疫細胞對頭發毛囊的破壞，可令禿頭或脫發患者重新長出頭發[26]。Tofacitinib 是輝瑞公司開發的一款新型JAK 抑制劑，不僅可阻斷JAK1和JAK2激活，還可強力抑制JAK3，目前主要用于類風濕性關節炎的治療[27]。而AG490 作為一種JAK2 和JAK3 的抑制劑，在基礎研究中大量使用，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]。關于STATs 抑制劑的研究較多的是STAT3，產品種類比較豐富，包括Stattic、Napabucasin 和 Artesunate 等。2017 年 Drugs 報道表明，STAT3抑制劑Napabucasin 可降低癌癥干細胞的活性，增強動物抗腫瘤免疫活性，阻止多種癌癥的復發和轉移[30]。Stattic 可通過抑制STAT3 而降低腫瘤組織內巨噬細胞的M2 型，進而發揮抗腫瘤作用[31]。此外，大量研究表明，姜黃素、紅景天苷和黃芪等中醫藥可抑制JAK/STAT 信號通路，并在多種炎癥相關疾病中顯示出良好效果[32-33]。可見，JAK/STAT在炎癥和免疫相關疾病中應用前景較廣，值得進一步的深入研究和挖掘。

5 小 結

JAK-STAT 是機體內重要的信號傳導通路，尤其在炎癥反應和巨噬細胞活化中發揮關鍵作用。本文就JAK-STAT 信號通路與巨噬細胞炎癥反應的相關文獻進行了綜述。細胞因子和JAK-STAT 的激活調控關系復雜，一種JAK 激酶可能被多種細胞因子激活，一種細胞因子也可能影響多種STAT 酶活性。但某些細胞因子對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體分泌的炎癥因子作用下，巨噬細胞內JAK-STAT 通路激活，可反饋調控巨噬細胞自身的分化。一方面，在致炎因子刺激下巨噬細胞JAK2及其下游的多種STAT被激活，進而增強相關促炎基因表達。另一方面，在IL-4和IL-10 刺激下，巨噬細胞的STAT4 和STAT6 激活，進而調控Arg1等抗炎因子表達升高。事實上，炎癥因子與JAK-STAT 的相關調控研究尚不完全清楚，很多研究還存在爭議，有待于進一步完善。

毋庸置疑的是，JAK-STAT 通路和炎癥因子關系密切，炎癥因子可刺激JAK-STAT 信號激活，而JAK-STAT 途徑可通過轉錄調控作用影響炎癥因子的表達。此外，我們還探討了JAK-STAT 通路抑制劑在炎癥和免疫相關疾病中應用，目前開發的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 相關藥物研發前景光明，但藥物特異性和安全性問題研究任重而道遠。