JAK-STAT3信號通路與非小細胞肺癌生物學行為相關性的研究進展

于洋 綜述 王洲 審校

在世界上許多國家肺癌都是腫瘤致死的首要因素。于是針對肺癌生物學行為的研究也迅速開展起來，其中JAK-STAT3信號通路與非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）生物學行為相關性的研究逐漸受到重視。越來越多的證據表明，腫瘤的發生是基因改變累積的結果。JAK-STAT3信號傳導通路在大量人類腫瘤中被激活，參與腫瘤的發生、發展，成為目前腫瘤信號傳導通路研究的熱點。本文就此信號通路與NSCLC生物學行為相關性的研究進展方面進行簡要綜述。

1 JAK-STAT3信號通路的研究現狀

1.1 STAT3分子的結構和功能 STAT3蛋白大約由770個氨基酸組成，有三種異構體：STAT3α（即一般意義所指的STAT3）、STAT3β和STAT3γ。STATs分子結構相似，被分成與功能相關的幾個結構域，從氨基端到羧基端依次為：氨基末端結構域、coiled-coil結構域、DNA結合結構域、linker結構域、SH2結構域（Src-homology-2 domain）、羧基末端轉錄活化結構域（transcriptional activation domain, TAD）[1]。Caldenhoven等[2]從嗜酸性粒細胞cDNA文庫中分離并克隆了STAT3異構體STAT3β，同STAT3α相比，STAT3β在羧基端第2145位-第2195位少50個堿基對，導致其蛋白末端55個氨基酸殘基被7個獨特的氨基酸殘基所替代。STAT3γ是STAT3α的限制性蛋白水解產物，它不具有STAT3α末端的TAD，是STAT3α的一種顯性陰性異構體。

STAT3在早期胚胎發育和許多正常組織分化中發揮著不可缺少的重要作用[3-5]。它廣泛存在于不同類型的細胞和組織中，在大腦、心臟、肝臟、睪丸和胸腺等組織中含量較高，在脾臟中也可檢出。此外，STAT3還參與細胞生長、分化、惡性轉化及凋亡抑制等活動的調控[6]。

1.2 JAK-STAT信號通路的概念及生理作用 JAK蛋白酪氨酸激酶（Janus protein tyrosine kinase）是近些年來鑒定出來的在細胞因子信號傳遞過程中起重要作用的蛋白酪氨酸激酶。它可在細胞因子受體與相應配基結合后活化，并進而激活另一種信號蛋白分子“信號轉導子和轉錄激活子”（signal transducer and activator of transcription, STATs），從而起到誘導目的基因表達的作用。JAK蛋白酪氨酸激酶家族共包括4個成員：JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。而STATs家族成員則有STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6，分別由不同的基因編碼。STATs被JAK磷酸化后發生二聚化，然后穿過核膜進入核內調節相關基因的表達，這條信號通路稱為JAK-STAT信號通路。STATs蛋白廣泛表達于機體不同類型的細胞和組織中，參與細胞生長、分化、凋亡等多種生理功能的調控，并與炎癥、腫瘤和免疫反應關系密切[7]。1.3 JAK-STAT信號通路的激活及調節

1.3.1 JAK-STAT信號通路的激活 目前研究顯示，多種細胞外蛋白可與細胞膜表面的特異受體結合，通過酪氨酸激酶（常為JAK家族成員，包括JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，有時是Src家族成員）使受體酪氨酸磷酸化而活化，進而激活胞漿中的STAT3分子，這些STAT單體即形成同源或異源二聚體而作為轉錄因子進入細胞核調控靶基因轉錄。常見的細胞外信號蛋白有3類：細胞因子（cytokine）：IL-6等白介素、IFNα/β等；受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases）：EGF、PDGF、IGF等；非受體酪氨酸激酶（non-receptor tyrosine kinase）：Src、Abl等。

與細胞因子受體不同的是，生長因子類受體（如EGFR等）本身即具有內在的酪氨酸激酶活性，與其配體結合而活化后可直接磷酸化STAT3分子。而非受體酪氨酸激酶則可直接引起STAT3酪氨酸磷酸化而激活此信號傳導通路。上述幾種激活途徑間還存在一些協同作用，如PDGF可通過Src激活STAT3；而Src和JAK可協同介導STAT3持續活化。

1.3.2 JAK-STAT信號通路的調節 在細胞胞漿及胞核中存在許多STAT反應蛋白，從STAT分子的激活直至啟動靶基因轉錄等諸多環節中與STAT分子相互作用而對信號傳導過程進行調節。

1.3.2.1 正性調節 STAT3分子翻譯后的修飾極大影響其轉錄活性。STAT3分子第727位絲氨酸殘基發生磷酸化可使其獲得最大的轉錄活性[8]。另外在受體水平也存在正性調節機制，當配體和其相應受體相結合并使其活化后，其鄰近的受體可通過交互磷酸化或使非特異抑制因子的作用下調，而使通路得以加強。

1.3.2.2 負性調節 在信號通路發揮作用的整個過程中還存在著諸多的負性調節因素，如SOCS-1（suppressor of cytokine signaling-1）、PIAS（protein inhibitor of activated STAT）、胞漿內蛋白酪氨酸磷酸化酶（protein tyrosine phosphatases, PTP）、 GRIM-19（genes associated with retinoid-IFN-induced mortality）等，均可通過不同機制負性調節該通路。

1.3.2.3 其它信號傳導通路與STAT3信號傳導通路的交互作用 細胞內信號的傳遞十分復雜，不只是依靠單一的信號傳導通路完成，往往還需要多條信號傳導通路的協同作用調節信號傳導。例如：MAPK信號傳導通路即可通過其家族成員ERK2、JNK1及p38等，磷酸化STAT3分子羧基末端結構域中的有關序列，而影響STAT3的酪氨酸磷酸化和DNA結合，抑制其轉錄活性。而阻斷此通路則可逆轉這種抑制，從另一角度證明了該通路對STAT3通路的抑制作用。

STAT3和其它信號傳導通路通過交互作用共同調節基因的表達，對準確調節細胞生物功能是十分重要的。進一步了解各信號傳導通路之間的交互作用可以更精確的分析細胞對不同外界刺激所作出的復雜反應。

1.4 JAK-STAT3信號通路在腫瘤發生發展中的作用 近來的眾多研究也顯示，JAK-STAT通路的異常與多種腫瘤的發生密切相關。信號轉導子及轉錄激活子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）與多種腫瘤的增殖分化、細胞凋亡、免疫逃避、血管新生、侵襲轉移等密切相關。它在許多造血系統腫瘤及很多實體腫瘤中均有異常表達，例如：白血病、乳腺癌、頭頸部腫瘤、皮膚癌，腦惡性膠質細胞瘤、前列腺癌、肺癌及肝癌等[9-15]。STAT3在細胞內起著重要的信號傳遞作用，負責將細胞外的信號傳遞至細胞核，通過誘導靶基因轉錄表達生物刺激的效應作用。STAT3的激活可以延長細胞的生存周期，可能是因為其激活的靶基因就是Bcl-2、Bcl-xl、Mcl-1、Survivin等抗凋亡基因[16]。Bcl-2家族由多個促凋亡和抑凋亡蛋白組成，其中Bcl-2、Bcl-XL、Mcl-1等抗凋亡蛋白可以通過抑制線粒體對細胞色素C的釋放而抑制多種促凋亡因素誘導的細胞凋亡；存活素（Survivin）是最小的凋亡抑制蛋白（IAPs），STAT3通路的持續活化可通過上調抗凋亡蛋白的表達來抑制腫瘤細胞發生凋亡，與腫瘤的發生發展密切相關。另外還有增殖相關蛋白Cyclin D1和Myc，以及促血管發生因子VEGF等也受JAK-STAT3信號通路的調控。而STAT3與c-Jun合作抑制Fas的表達，也可能阻礙癌細胞凋亡[17]。此外，還有其它的一些基因受到STAT3的間接調控，這其中的許多基因都可能與腫瘤的發生、發展有關。而且眾多研究顯示，如果抑制STAT3的表達將使腫瘤的生長受到抑制并導致腫瘤細胞的凋亡。

1.4.1 JAK-STAT3信號通路與腫瘤細胞運動 腫瘤細胞的運動能力是腫瘤侵襲轉移的重要因素之一，且兩者常常表現出正相關關系，而且許多涉及細胞運動的細胞生理活動中往往存在JAK-STAT3信號通路的過度激活[18]。已經有研究顯示，STAT3參與調控斑馬魚發育早期原腸運動中細胞的遷移[19]。還可以通過調節細胞外基質成分，比如纖連蛋白等來調節細胞形態并影響細胞運動[20]。JAKSTAT3信號通路的過度激活也更加有利于細胞伸出突起和偽足，而利于它們遷移[21]。可見JAK-STAT3信號通路在細胞的粘附、遷移等過程中都發揮著極其重要的作用。

1.4.2 JAK-STAT3信號通路與腫瘤血管形成 腫瘤血管形成是指腫瘤細胞誘導的毛細血管生長以及腫瘤中血液循環建立的過程。隨著腫瘤體積的逐漸增加，單純通過彌散獲得的氧氣和營養物質已不能滿足腫瘤生長的需要，如果沒有新生血管長入，腫瘤組織將保持休眠甚至發生退化[22]。血管內皮生長因子（vascular endothelial growth fac-tor, VEGF）是刺激血管內皮細胞增殖、遷移、誘導血管形成的重要因子，對惡性腫瘤的浸潤和轉移有重要意義[23]。實驗[24,25]證明STAT3可直接調控VEGF的轉錄，因此腫瘤細胞中JAK-STAT3信號通路的持續過度激活可通過VEGF而促進腫瘤血管形成，導致腫瘤的浸潤和轉移。

1.4.3 JAK-STAT3信號通路與腫瘤對細胞外基質的降解 細胞外基質（extracellular matrixc, ECM）的降解是腫瘤侵襲轉移的重要步驟之一。而基質金屬蛋白酶就是降解ECM的重要成分。基質金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinases,MMP-2）為明膠酶的一種，能夠降解細胞外基質和基底膜的主要成份-IV型膠原，目前已被證實MMP-2在乳腺癌、結直腸癌、胃癌等多種惡性腫瘤組織中表達和活性升高，并且與腫瘤的轉移能力密切相關[26,27]。已經有眾多實驗證明，JAK-STAT3信號通路可能通過直接或間接調節MMP-2基因的表達參與腫瘤對細胞外基質的降解[9]。

1.4.4 JAK-STAT3信號通路與腫瘤的免疫逃避 研究[28]顯示人類機體免疫系統對腫瘤細胞的浸潤通常表現出沒有反應或呈耐受狀態，即出現免疫逃避（immune evasion）有些與腫瘤相關的免疫細胞也會出現STAT3的高表達并與該腫瘤發展相關。腫瘤細胞的JAK-STAT3通路持續激活可抑制機體免疫系統對腫瘤的相關應答，從而介導免疫逃避，如：JAK-STAT3通路持續激活可抑制腫瘤細胞產生促炎介質（pro-inflammatory medium）；腫瘤細胞的STAT3通路持續激活可抑制機體的先天性免疫反應；腫瘤細胞的JAK-STAT3通路持續激活可抑制機體的獲得性免疫反應。

由此可見，腫瘤中持續活化的JAK-STAT3信號既可以通過增強腫瘤細胞運動能力，促進腫瘤血管新生及對ECM進行降解，以提高腫瘤侵襲、轉移能力；又可通過抑制炎癥介質的釋放、抑制機體免疫功能而促成腫瘤細胞的侵襲、轉移。

2 JAK-STAT3信號通路在NSCLC研究領域中的研究現狀

肺癌是嚴重威脅人民健康的疾病之一，隨著我國工業化的進展，肺癌的發病率呈上升趨勢，現已位居惡性腫瘤發病率和死亡率之首。曾有調查顯示，肺腺癌的發病率占到肺癌發病率的近40%，且具有早期血行轉移，對放化療不敏感等特性。針對肺癌干細胞的研究[29]也提示肺癌具有高度的惡性及轉移潛能。隨著近年來針對JAK-STAT3信號通路與NSCLC關系的研究，又給它的治療帶來了新的契機。

已經有實驗[30]證明在NSCLC組織中STAT3的表達陽性率明顯高于癌旁組織中的表達，其中低分化組中STAT3表達水平高于高分化組，有淋巴結轉移組中STAT3表達水平高于無淋巴結轉移組，說明STAT3表達與NSCLC的組織分化程度及淋巴結轉移有關。

Eric等[31]對176例早期NSCLC的研究以及近年諸多相關研究[32-36]發現，pSTAT3表達與活化形式的EGFR表達呈正相關，而且在NSCLC中往往存在EGFR基因的變異或者過度表達，這樣的高表達將有利于腫瘤血管的形成并增加腫瘤的侵襲性，所以pSTAT3的活躍與腫瘤的生長和侵襲力具有相關性，兩者也因此成為肺癌治療的新靶點；凋亡檢測發現pSTAT3表達與細胞凋亡負相關，這是由于JAK-STAT3通路的下游抗凋亡蛋白Bcl-xl、Bcl-2、Mcl-1和c-IAP2以及增殖相關蛋白Cyclin D1和Myc等過度表達，而導致腫瘤細胞抗凋亡能力以及增殖能力增強[13,37,38]；大約1/2的早期NSCLC細胞的生長依賴于持續活化的JAKSTAT3信號通路。這些都提示對pSTAT3陽性的NSCLC患者使用STAT3抑制劑可抑制腫瘤生長。而且已有實驗證明在肺腺癌細胞系中也存在STAT3蛋白的持續高表達，且其下游抗凋亡基因CyclinD1、Bcl-2等均表達增高，據此推測STAT3蛋白的組成性激活或許是腫瘤細胞維持其惡性轉化表型及維持其生長的一種內在特征。

近年來STAT3成為肺癌靶向治療的新靶點，為NSCLC的治療提供了新的方向，這主要包括以下幾個方面：①寡核苷酸：是反義寡核苷酸（antisense oligonucle otide, AS-ON），它含有12個-25個堿基，能與STAT3 mRNA結合阻止STAT3的翻譯。反義srl、AT3處理NSCLC細胞株A549和H358后，細胞中STAT3的DNA結合能力完全缺失，細胞發生凋亡 。另一種是誘餌寡核苷酸（Decoy ON）。STAT3 DecoyON指一段雙鏈寡核苷酸，它與STAT3靶基因啟動子反應元件中STAT3識別的特異性靶DNA序列相一致，能競爭性結合活化的STAT3，減少STAT3與特異性反應元件的結合，從而阻斷STAT3信號途徑；②顯性負性蛋白：一類是野生型顯性負性蛋白，即STAT3B，它缺乏TAD，能結合STAT3靶DNA反應元件，但不能促進相應基因的轉錄，從而與活化的STAT3競爭結合相應的反應元件，阻斷STAT3信號轉導通路。另一類是突變型顯性負性蛋白。動物實驗中，向裸鼠體內腫瘤注射STAT3顯性負性表達質粒可以誘導凋亡而致腫瘤消退；③酪氨酸激酶抑制劑：針對STAT3信號途徑中上游酪氨酸激酶如JAK、Src、EGFR的抑制劑已經研制成功，部分已進入臨床各期試驗。AG490是JAK酪氨酸激酶選擇性抑制劑，可以阻斷JAK激酶活化，進而影響STAT激活，從而顯著抑制腫瘤細胞的生長，誘導腫瘤細胞的凋亡；④RNA干擾：RNA干擾（RNA interference, RNAi）是由雙鏈RNA（double stranded RNA, dsRNA）引發的轉錄后基因沉默機制。RNAi具有特異性、高效性、對dsRNA長度依賴性和靶mRNA切割位點確定性等特點，RNAi技術可以針對信號通路的多個基因或者基因族的共有序列來同時抑制多個基因的表達，從而能更有效地抑制腫瘤生長。目前RNAi技術已經在病毒感染、腫瘤和遺傳性疾病中進行了實驗，取得了良好的效果[39,40]。但由于目前尚沒有合適的轉基因技術，RNAi在臨床腫瘤治療上的應用有待于進一步研究；⑤受體拮抗劑：研究證實，多種細胞外信號通過細胞表面受體激活STAT3信號傳導通路，理論上應用此受體的拮抗劑就可以達到阻斷該受體活化而明顯抑制STAT3活化的目的；⑥其它：STAT3通過酪氨酸磷酸化而被激活，而蛋白磷酸酶可使活化狀態的STAT3去磷酸化，從而抑制STAT3活性，其中SHP是STAT3信號傳導通路中的重要負調節因子。SOCS可以抑制STAT3通路持續活化，PIAS可以抑制STAT3活性而對此通路產生負調節作用。野生型p53基因是一種抑癌基因，可以促進細胞凋亡及誘導G1期停滯，從而抑制腫瘤細胞惡性轉化；突變型p53基因不具有上述正常的功能，其產物以顯性負性方式阻斷了正常p53蛋白的功能。

近些年人們開始使用各種技術手段阻斷JAK-STAT3信號通路，以達到研究此信號通路與腫瘤發生、發展關系的目的。但關于JAK-STAT3信號通路與NSCLC遠處轉移潛能的臨床系統研究尚未見報道。