JAK-STAT Sinyal Yolağı

 JAK-STAT sinyal yolu, bir hücredeki proteinler arasındaki bir etkileşimler zinciridir ve bağışıklık, hücre bölünmesi, hücre ölümü ve tümör oluşumu gibi süreçlerde yer alır. Yol, bir hücrenin dışındaki kimyasal sinyallerden hücre çekirdeğine bilgi iletir, bu da transkripsiyon adı verilen bir süreç yoluyla genlerin aktivasyonu ile sonuçlanır. JAK-STAT sinyallemesinin üç anahtar parçası vardır: Janus kinazlar (JAK'ler), sinyal dönüştürücü ve transkripsiyon proteinlerinin (STAT'ler) aktivatörü ve reseptörler (kimyasal sinyalleri bağlayan). Bozulmuş JAK-STAT sinyali, cilt rahatsızlıkları, kanserler ve bağışıklık sistemini etkileyen bozukluklar gibi çeşitli hastalıklara yol açabilir.

JAK'ların ve STAT'lerin Yapısı

Dört JAK proteini vardır: JAK1, JAK2, JAK3 ve TYK2.[1] JAK'lar bir FERM alanı (yaklaşık 400 kalıntı), SH2 ile ilgili bir alan (yaklaşık 100 kalıntı), bir kinaz alanı (yaklaşık 250 kalıntı) ve bir psödokinaz alanı (yaklaşık 300 kalıntı) içerir. Kinaz alanı, JAK'ların proteinleri fosforile etmesine (fosfat grupları eklemesine) izin verdiğinden, JAK aktivitesi için hayati öneme sahiptir.

Yedi STAT proteini vardır: STAT1, STAT2, STAT3, STAT4, STAT5A, STAT5B ve STAT6. STAT proteinleri, her biri farklı işleve sahip birçok farklı alan içerir ve bunların en çok korunan bölgesi SH2 alanıdır. SH2 alanı 2 α-helis ve bir β-tabakadan oluşur ve yaklaşık olarak 575–680 kalıntılarından oluşur. STAT'lar ayrıca daha az korunan ve C-terminalinde bulunan transkripsiyonel aktivasyon alanlarına (TAD) sahiptir. Ek olarak, STAT'ler ayrıca şunları içerir: tirozin aktivasyonu, amino-terminali, bağlayıcı, sarmal-sarmal ve DNA-bağlama alanları

Mekanizma

Çeşitli ligandların, genellikle interferonlar ve interlökinler gibi sitokinlerin hücre yüzeyi reseptörlerine bağlanması, reseptörlerin dimerleşmesine neden olur, bu da reseptörle ilişkili JAK'ları yakınlaştırır. JAK'lar daha sonra, kinaz alanlarının aktivitesini artıran transfosforilasyon adı verilen bir süreç yoluyla aktivasyon döngüleri olarak adlandırılan bölgelerde bulunan tirozin kalıntıları üzerinde birbirlerini fosforile eder. Aktive edilmiş JAK'lar daha sonra reseptör üzerindeki tirozin kalıntılarını fosforile ederek SH2 alanlarına sahip proteinler için bağlanma bölgeleri oluşturur. STAT'ler daha sonra SH2 alanlarını kullanarak reseptör üzerindeki fosforile edilmiş tirozinlere bağlanır ve daha sonra JAK'lar tarafından tirozin-fosforile edilerek STAT'lerin reseptörden ayrılmasına neden olur. En azından STAT5, güçlü STAT5 tirozin fosforilasyonu için treonin 92'de glikosilasyon gerektirir. Bu aktive edilmiş STAT'lar, her bir STAT'ın SH2 alanının karşıt STAT'ın fosforile edilmiş tirozinine bağlandığı ve daha sonra hedef genlerin transkripsiyonunu indüklemek için hücre çekirdeğine yer değiştirdiği hetero- veya homodimerler oluşturur. STAT'ler ayrıca doğrudan reseptör tirozin kinazlar tarafından tirozin-fosforile edilebilir - ancak çoğu reseptör yerleşik kinaz aktivitesinden yoksun olduğundan, JAK'lar genellikle sinyalleme için gereklidir.

Şekil 1: JAK-STAT yolunun temel adımları. JAK-STAT sinyali üç ana proteinden oluşur: hücre yüzeyi reseptörleri, Janus kinazlar (JAK'ler) ve sinyal dönüştürücü ve transkripsiyon proteinlerinin (STAT'ler) aktivatörü. Bir ligand (kırmızı üçgen) reseptöre bağlandığında, JAK'lar reseptöre fosfatlar (kırmızı daireler) ekler. İki STAT proteini daha sonra fosfatlara bağlanır ve ardından STAT'ler bir dimer oluşturmak üzere JAK'lar tarafından fosforile edilir. Dimer çekirdeğe girer, DNA'ya bağlanır ve hedef genlerin transkripsiyonuna neden olur. JAK-STAT sistemi üç ana bileşenden oluşur: (1) hücre zarına nüfuz eden bir reseptör (yeşil); (2) reseptöre bağlı Janus kinaz (JAK) (sarı), ve; (3) Sinyali çekirdeğe ve DNA'ya taşıyan Sinyal Dönüştürücü ve Transkripsiyon Aktivatörü (STAT) (mavi). Kırmızı noktalar fosfatlardır. Sitokin reseptöre bağlandıktan sonra JAK, reseptöre bir fosfat ekler (fosforile eder). Bu, aynı zamanda fosforile olan ve birbirine bağlanan ve bir çift (dimer) oluşturan STAT proteinlerini çeker. Dimer çekirdeğe hareket eder, DNA'ya bağlanır ve genlerin transkripsiyonuna neden olur. Fosfat grupları ekleyen enzimlere protein kinazlar denir.

STAT'lerin Sitozolden Çekirdeğe Hareketi

Sitozolden çekirdeğe geçmek için STAT dimerleri, çekirdek içindeki ve dışındaki maddelerin akışını kontrol eden nükleer zarf boyunca bulunan protein kompleksleri olan nükleer gözenek komplekslerinden (NPC'ler) geçmek zorundadır. STAT'lerin çekirdeğe hareket etmesini sağlamak için, nükleer lokalizasyon sinyali (NLS) olarak adlandırılan STAT'lar üzerindeki bir amino asit dizisi, importin adı verilen proteinlerle bağlanır. STAT dimeri (importinlere bağlı) çekirdeğe girdiğinde, Ran (GTP ile ilişkili) adlı bir protein, importinlere bağlanarak onları STAT dimerinden serbest bırakır. STAT dimer daha sonra çekirdekte serbesttir.

Spesifik STAT'lerin spesifik importin proteinlerine bağlandığı görülmektedir. Örneğin, STAT3 proteinleri importin α3 ve importin α6'ya bağlanarak çekirdeğe girebilir.Öte yandan, STAT1 ve STAT2, importin α5'e bağlanır. Çalışmalar, STAT2'nin çekirdeğe girmek için interferon düzenleyici faktör 9 (IRF9) adlı bir proteine ​​ihtiyaç duyduğunu göstermektedir. Diğer STAT'lerin nükleer girişi hakkında çok fazla şey bilinmemekle birlikte, STAT4'ün DNA bağlama alanındaki bir amino asit dizisinin nükleer ithalata izin verebileceği öne sürülmüştür; ayrıca, STAT5 ve STAT6'nın her ikisi de importin α3'e bağlanabilir. Ayrıca STAT3, STAT5 ve STAT6 tirozin rezidülerinde fosforile olmasalar bile çekirdeğe girebilirler.

Çeviri Sonrası Değişikliklerin Rolü

STAT'ler, protein biyosentezi ile yapıldıktan sonra, onlara translasyon sonrası modifikasyonlar adı verilen protein olmayan moleküller eklenir. Bunun bir örneği tirozin fosforilasyonudur (JAK-STAT sinyallemesi için temeldir), ancak STAT'lar, JAK-STAT sinyalleşmesinde STAT davranışını etkileyebilecek başka modifikasyonlar yaşar. Bu modifikasyonlar şunları içerir: metilasyon, asetilasyon ve serin fosforilasyonu.

Metilasyon. STAT3, 140 konumunda bir lizin kalıntısı üzerinde dimetillenebilir (iki metil grubuna sahiptir) ve bunun STAT3 aktivitesini azaltabileceği öne sürülmektedir. STAT1'in bir arginin kalıntısı üzerinde (31. pozisyonda) metillenip metillenmediği ve bu metilasyonun işlevinin ne olabileceği konusunda tartışmalar vardır.

Asetilasyon. STAT1, STAT2, STAT3, STAT5 ve STAT6'nın asetillendiği gösterilmiştir. STAT1, 410 ve 413 pozisyonlarında lizinlere bağlı bir asetil grubuna sahip olabilir ve sonuç olarak, STAT1 hücre ölümünü tetikleyen apoptotik genlerin transkripsiyonunu teşvik edebilir. STAT2 asetilasyonu, diğer STAT'larla etkileşimler ve anti-viral genlerin transkripsiyonu için önemlidir.

STAT3'ün asetilasyonunun, dimerizasyonu, DNA bağlama ve gen transkripsiyon yeteneği için önemli olduğu ve STAT3 kullanan IL-6 JAK-STAT yolaklarının IL-6 yanıt genlerinin transkripsiyonu için asetilasyon gerektirdiği öne sürülmüştür. 694 ve 701 pozisyonlarındaki lizinler üzerinde STAT5 asetilasyonu, prolaktin sinyalleşmesinde etkili STAT dimerizasyonu için önemlidir. STAT6'ya asetil gruplarının eklenmesinin, bazı IL-4 sinyalleme formlarında gen transkripsiyonu için gerekli olduğu öne sürülmektedir, ancak STAT6'da asetillenen tüm amino asitler bilinmemektedir.

Serin fosforilasyon. Yedi STAT'ın çoğu (STAT2 hariç) serin fosforilasyonuna uğrar. STAT'lerin serin fosforilasyonunun gen transkripsiyonunu azalttığı gösterilmiştir. Ayrıca IL-6 ve IFN- γ sitokinlerinin bazı hedef genlerinin transkripsiyonu için de gereklidir. Serin fosforilasyonunun STAT1 dimerizasyonunu düzenleyebildiği, ve STAT3 üzerindeki sürekli serin fosforilasyonunun hücre bölünmesini etkilediği öne sürülmüştür.

Sitokin Reseptörü Sinyalleşmesindeki Rolü

Birçok JAK'ın sitokin reseptörleri ile ilişkili olduğu göz önüne alındığında, JAK-STAT sinyal yolu, sitokin reseptörü sinyalleşmesinde önemli bir rol oynar. Sitokinler, komşu hücrelerin aktivitesini değiştirebilen bağışıklık hücreleri tarafından üretilen maddeler olduğundan, JAK-STAT sinyallemesinin etkileri, bağışıklık sistemi hücrelerinde genellikle daha yüksek oranda görülür. Örneğin, IL-2'ye yanıt olarak JAK3 aktivasyonu, lenfosit gelişimi ve işlevi için hayati önem taşır. Ayrıca, bir çalışma JAK1'in IFNy, IL-2, IL-4 ve IL-10 sitokinlerinin reseptörlerine yönelik sinyallemeyi gerçekleştirmek için gerekli olduğunu göstermektedir.

Sitokin reseptör sinyallemesindeki JAK-STAT yolu, DNA'ya bağlanabilen ve immün hücre bölünmesi, hayatta kalma, aktivasyon ve işe alım ile ilgili genlerin transkripsiyonuna izin verebilen STAT'ları aktive edebilir. Örneğin, STAT1 hücre bölünmesini engelleyen ve iltihabı uyaran genlerin transkripsiyonunu sağlayabilir. Ayrıca, STAT4, NK hücrelerini (doğal öldürücü hücreler) aktive edebilir ve STAT5, beyaz kan hücrelerinin oluşumunu sağlayabilir. IL-4 gibi sitokinlere yanıt olarak, JAK-STAT sinyali ayrıca B hücresi proliferasyonunu, bağışıklık hücresinin hayatta kalmasını ve IgE adlı bir antikorun üretimini destekleyebilen STAT6'yı uyarabilir.