МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, том 47, № 3, с. 388-397
= ОБЗОРЫ
УДК 577.218
СТРОЕНИЕ СИГНАЛЬНОГО ПУТИ JAK/STAT И ЕГО ВЗАИМОСВЯЗЬ С АППАРАТОМ ТРАНСКРИПЦИИ
© 2013 г. А. В. Шапошников*, И. Ф. Комарьков, Л. А. Лебедева, Ю. В. Шидловский
Институт биологии гена Российской академии наук, Москва, 119334 Поступила в редакцию 26.12.2012 г. Принята к печати 18.01.2013 г.
Сигнальный путь JAK/STAT— один из консервативных путей регуляции у высших эукариот— играет важную роль в различных процессах онтогенеза. В работе рассмотрена его организация на молекулярном уровне, главным образом, на примере модельного организма — дрозофилы. Основное внимание уделено взаимосвязи между этим сигнальным путем и транскрипционным аппаратом высших эукариот.
Ключевые слова: сигнальные пути, сигнальный путь JAK/STAT, факторы транскрипции, эукариоты.
MOLECULAR COMPONENTS OF JAK/STAT SIGNALING PATHWAY AND ITS CONNECTION WITH TRANSCRIPTION MACHINERY, by A. V. Shaposhnikov*, I. F. Komarkov, L. A. Lebedeva, Y. V. Shid-lovskii (Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia; *e-mail: shaldr23@mail.ru). JAK/STAT is one of the conservative signaling pathways in higher eukaryotes which plays a critical role in different ontogenesis processes. This article gives a review of the pathway structure at the molecular level, mainly in a model organism Drosophila. There are data about relationship of the signaling pathway and transcription machinery of higher eukaryotes.
Keywords: signaling pathways, JAK/STAT, transcription factors, eukaryotes. DOI: 10.7868/S0026898413030130
Сигнальные пути многоклеточных животных обеспечивают правильное течение онтогенеза и способность клеток реагировать на внешние сигналы. Они активируются при воздействии сигнальных молекул — лигандов, которые связываются с рецепторами. Это взаимодействие запускает каскад событий, что, в итоге, ведет к активации определенных генов под действием ген-специфических факторов транскрипции. Таким образом, в клетке существует тесная связь между транскрипционным аппаратом и сигнальными путями.
Распознавание сигнальных молекул, чаще всего, начинается на мембране клетки при участии специальных высокоизбирательных белков-рецепторов, содержащих три типичных домена. Это М-концевой внешний, ответственный за связывание сигнальной молекулы, затем трансмембранный домен, представляющий собой один или несколько а-спиральных участков, и третий, С-кон-цевой внутренний домен, передающий сигнал далее. Кроме клеточной мембраны, рецепторы могут локализоваться также в цитоплазме и в ядре клетки [1, 2].
Принятые сокращения: BRG1 (Brahma-Related Gene Protein 1) — гомолог хроматин-ремоделирующего фактора Brahma у млекопитающих; CBP/p300 (CREB Binding Protein and p300) — семейство гистонацетилтрансфераз, вовлеченных в ремоде-лирование хроматина; CNTFR (Ciliary Neurotrophic Factor Receptor) — рецептор цилиарного нейротрофного фактора; DOME (Domeless) — рецептор сигнального пути JAK/STAT у дрозофилы; gp130 (glycoprotein 130) — гликопротеин 130, цито-киновый рецептор; HOP (Hopscotch) — представитель JAK-киназы у дрозофилы; IFN (Interferon) — интерферон; IL (Interleu-kin) — интерлейкин; JAK (Janus Kinase) — семейство ассоциированных с рецепторами киназ; LIFR (Leukemia Inhibitory Factor Receptor) — субъединица рецептора интерлейкина LIF, ингибирующего клеточную дифференцировку; NF-kB (Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) — семейство факторов транскрипции, контролирующих экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла; PIAS (Protein Inhibitors of Activated Stats) — белки-ингибиторы активированных молекул STAT; PTPs (Protein Tyrosine Phosphatases) — тирозиновые фосфатазы; SOCS (Supressors of Cytokine Signaling) — су-прессоры передачи сигнала цитокинами; STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) — активатор транскрипции, участвующий в передаче сигнала; TFIID (Transcription Factor IID) — общий фактор транскрипции; Tyk-2 (Tyrosine protein ki-nase-2) — нерецепторная тирозиновая протеинкиназа-2; UPD (Unpaired) — семейство лигандов, активирующих сигнальный путь JAK/STAT у дрозофилы.
* Эл. почта: shaldr23@mail.ru
Важную роль при передаче сигнала внутри клетки играют модификации белков, например, фосфорилирование, осуществляемое протеин-киназами. Донором фосфата во всех таких реакциях является у-фосфат АТР. Принято различать киназы, присоединяющие фосфат или к тирозину (тирозиновые киназы), или к серину и треонину (серин-треониновые киназы) [2, 3].
СИГНАЛЬНЫЙ ПУТЬ JAK/STAT
JAK/STAT-путь представляет собой относительно простой и консервативный каксад реакций, осуществляющих передачу сигнала у многоклеточных животных (рис. 1). После связывания лиганда рецепторы димеризуются и активируют ассоциированные с ними молекулы JAK-киназы. В некоторых рецепторах (инсулиновый рецептор, рецептор эпидермального фактора роста) цитоплаз-матический участок сам обладает тирозинкиназной активностью [2, 3]. После связывания лиганда происходит автофосфорилирование связанных с рецептором JAK-киназ, что повышает их каталитическую активность. JAK-киназы также фосфорилиру-ют субъединицы рецептора по остаткам тирозина. Далее комплекс "JAK—рецептор" фосфорилирует основную мишень — транскрипционные факторы STAT Фосфорилированные молекулы STAT димеризуются и транспортируются в ядро, где связываются с соответствующими регуляторными последовательностями генов и запускают их транскрипцию [4].
Эта схема отражает так называемый канонический путь. В последнее время появляются новые данные о роли компонентов JAK/STAT-пу-ти, отличной от описанной. Так, обнаружено, что JAK2-киназа непосредственно участвует в фосфорилировании гистонов в ядре [5]. Показана роль нефосфорилированных молекул STAT в поддержании структуры гетерохроматина ядра, а также в активации транскрипции с помощью механизмов, отличных от тех, которые "используют" фосфорилированные формы STAT [6].
Основные участники пути регуляции у многоклеточных высокогомологичны. У высших эука-риот на каждой стадии функционирует, обычно, целое семейство факторов: у млекопитающих известно четыре JAK-киназы и семь различных молекул STAT. У дрозофилы основные участники пути уникальны, поэтому этот организм представляет собой удобный объект для исследований. В этом случае рецептор (белок Domeless) обозначается как DOME, JAK-киназа (Hopscotch) — как HOP, транскрипционный фактор — как STAT92E. Сигнальный путь активируют три лиганда: Unpaired (UPD), Unpaired 2 (UPD2) и Unpaired 3 (UPD3) [7].
Рис. 1. Схема JAK/STAT-пути (объяснения в тексте, модифицировано из [4]).
Кроме упомянутых участников пути, известны также молекулы-регуляторы, среди которых основными являются белки семейства SOCS и группы PIAS. Белки-регуляторы у разных многоклеточных также высокогомологичны
Вначале, при изучении данного пути регуляции у дрозофилы, был обнаружен лиганд Unpaired (UPD). При его нарушении наблюдаются дефекты сегментации, сходные с дефектами, характерными для мутаций hop и stat92E. UPD представляет собой секретируемый гликопроте-ин (7 кДа), ассоциированный с внеклеточным матриксом. При экспрессии в культуре клеток дрозофил он приводит к стимуляции киназыНОР. Показано генетическое взаимодействие генов upd и hop в развитии дрозофилы [8]. UPD, будучи ли-гандом, не похож ни на один известный цитокин или фактор роста у млекопитающих. Интересно, что у дрозофилы не найдено ни одного белка, похожего на какой-либо известный цитокин [9]. Позже обнаружены два других гомолога UPD— UPD2 ИUPD3, также участвующие в активации JAK/STAT-пути [7, 10].
РЕЦЕПТОРЫ СИГНАЛЬНОГО ПУТИ JAK/STAT
Рецептором сигнального пути в организме дрозофилы является родственный цитокиновым рецепторам млекопитающих белок Domeless (Dome; также известный под названием Master of Marelle, Mom). Транскрипт гена dome имеет длину
Рис. 2. Схематическое сравнение доменной структуры белка DOME со структурой рецепторов интерлейкина 6-го типа позвоночных. CBM — участок рецептора, связывающий цитокины; FnIII — фрагменты, имеющие способ укладки фибронектина III-го типа. Для рецепторов позвоночных характерны участки, имеющие иммуноглобулиноподобный мотив (шестиугольники), однако в белке DOME он отсутствует [11].
LIFR
CBM FnIII DOME gp130 ] Ig-like CNTFR
Внутриклеточный домен
4800 п.н. и кодирует белок, состоящий из 1282 аминокислот, первые 23 из которых представляют собой сигнальный пептид. В составе белка имеются внутриклеточный и внеклеточный домены; последний содержит пять фибронектиновых доменов III-его типа, два из которых практически идентичны цитокин-связывающему участку (Cytokine Binding Module, CBM) семейства цитокиновых рецепторов класса I позвоночных (рис. 2). Степень сходства белка Dome с белком LIFR составляет 18%, а с белком CNTFR - 26% [11].
Рецепторы интерлейкина (IL) у шести таксонов позвоночных функционируют, в основном, как ге-теродимеры, в то время как некоторые рецепторы, например, CNTFR, не имеющие внутриклеточного домена, не способны димеризоваться и привлекают вспомогательные белки для передачи сигнала. Интересно, что, несмотря на очень короткий внутриклеточный домен CNTFR, который не участвует в передаче сигнала, белок Dome наиболее сходен именно с ним. Белок Dome способен формировать гомодимеры, которые могут и связывать лиганд, и передавать его JAK-киназе при непосредственном взаимодействии с ней [11].
JAK-КИНАЗЫ
Ген дрозофилы hop обнаружен в ходе генетического анализа при поисках генов, важных для процесса сегментации эмбриона. JAK-киназа дрозофилы — hopscotch (HOP) — кислый белок, обладающий всеми характеристиками нерецеп-торных тирозиновых киназ семейства JAK млекопитающих. Белок HOP наиболее сходен с JAK2-киназой человека (27% гомологии), при-
чем процент сходства в их киназном и псевдоки-назном доменах наиболее высок [12]. Характерная черта JAK-киназ — тандем киназного (JH1) и псевдокиназного (JH2) доменов. Оба сходны по структуре, но в псевдокиназном домене отсутствуют остатки, отвечающие за фосфотрансфе-разную активность. Возможно, основная роль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.