JAK/STAT通路介導椎間盤髓核細胞凋亡的研究進展

易 軍，姬廣林

（1. 贛南醫(yī)科大學第一臨床醫(yī)學院；2. 贛南醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院骨科，江西 贛州 341000）

作為一種與年齡相關的退行性疾病，椎間盤退變（Intervertebral disc degeneration，IDD）是臨床上腰背部疼痛的主要原因之一。一項流行病學研究顯示［1］，50 歲以上的人群中，約有90%患有IDD。IDD嚴重影響患者的生活質(zhì)量，甚至會導致勞動力的喪失，給患者和社會造成沉重的經(jīng)濟負擔和精神壓力［2］。目前IDD 治療方法有較大的局限性，其中藥物治療只能稍微緩解患者的疼痛癥狀，而手術治療會加速相鄰節(jié)段的椎間盤發(fā)生退變。IDD 可由多種因素誘發(fā)，如衰老、遺傳因素、機械負荷、肥胖和煙草暴露等。不同信號轉(zhuǎn)導通路在分子、細胞和組織層面參與IDD 病理機制的調(diào)控。研究表明Janus 激酶（Janus kinase，JAK）/信號轉(zhuǎn)導子及轉(zhuǎn)錄激活因子（Signal transducer and activator of transcriptor，STAT）信號途徑在維持椎間盤的正常生理結(jié)構和發(fā)揮生理功能方面起著重要作用［3］。然而，目前對JAK/STAT信號通路在IDD 發(fā)病機制中的作用尚不明確，本文主要就JAK/STAT信號通路的構成、與IDD髓核細胞凋亡的聯(lián)系以及其作為IDD潛在治療靶點等方面的研究進展進行綜述，以期為IDD的治療提供參考。

1 椎間盤結(jié)構與椎間盤退變

椎間盤（Intervertebral disc， IVD）位于脊柱各椎體之間，牢固地連接上下相鄰的椎體，具有緩沖壓力和維持脊柱生理活動等作用。IVD 主要由3 個部分組成：髓核、纖維環(huán)和軟骨終板（Cartilage endplate，CEP）。作為一種無血管的結(jié)締組織，IVD 營養(yǎng)的供給主要依賴于CEP，同時IVD 需要時刻緩沖椎體運動所傳遞的機械壓力，因此IVD 易于損傷并產(chǎn)生退變。在各種病理因素的作用下，IVD 的纖維環(huán)結(jié)構被破壞，髓核組織結(jié)構和功能發(fā)生改變，包括細胞外基質(zhì)（Extracellular matrix，ECM）的進行性降解、細胞衰老速度的加快、髓核細胞凋亡和組織生物力學功能的障礙等，進一步誘導椎間盤代謝失衡，椎間盤高度下降，髓核含水量不斷減少，最終導致IDD的發(fā)生。

2 椎間盤退變與髓核細胞凋亡

IDD 發(fā)病機制復雜多樣，至今仍未完全闡明。正常健康IVD的功能主要受組織結(jié)構的影響。在衰老、外傷、異常機械負荷、肥胖和炎癥等各種病理因素的刺激下，IVD組織內(nèi)的膠原蛋白和蛋白多糖含量降低，水合能力逐漸下降，IVD 發(fā)生進行性退變。在細胞水平上，各種病理因素誘導IVD 細胞尤其是髓核細胞發(fā)生代謝紊亂和凋亡，這些病理改變可以反作用于IVD，從而進一步促進IDD 的發(fā)生發(fā)展。例如，病理因素導致椎間盤細胞自分泌的腫瘤壞死因子α、白細胞介素（Interleukin， IL）等炎癥細胞因子水平升高，這些細胞因子通過降低退變椎間盤中的髓核細胞蛋白多糖及膠原纖維的分泌［4］、升高細胞的凋亡率，最終加速椎間盤退變過程［5］。此外，許多與IDD相關的臨床前期試驗和動物模型的研究也證明了退變IVD 中細胞的凋亡率普遍升高［6-7］。髓核細胞的凋亡和壞死不僅會減少功能細胞的數(shù)量，還會釋放炎癥介質(zhì)，進一步惡化IVD內(nèi)的微環(huán)境，誘導更多的細胞發(fā)生凋亡，最終形成IVD 退化的惡性循環(huán)。作為IDD 的病理表現(xiàn)之一，髓核組織纖維化程度增加的頻率與髓核細胞數(shù)量減少的程度具有一定的相關性。因此，髓核細胞凋亡是IDD 發(fā)生發(fā)展的重要病理因素之一。

3 JAK/STAT信號通路

有研究［8-10］表明，核因子-κB信號通路、c-Jun 氨基末端激酶信號通路和磷脂酰肌醇-3-激酶/AKT/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路等參與IDD 的發(fā)生發(fā)展。作為炎癥細胞因子IL-6 最重要的下游途徑之一，在肥胖和骨病的研究中發(fā)現(xiàn)了JAK/STAT 通路的身影：瘦素和IL-1 之間的協(xié)同作用與STAT1 和STAT3的磷酸化有關［11］。在針刺模型誘發(fā)椎間盤退變的實驗中也發(fā)現(xiàn)了IL-6/JAK/STAT 通路參與了針刺模型誘發(fā)椎間盤的變性過程［3］。因此，JAK/STAT 信號通路在IDD 中也起著顯著的作用，但目前其在IDD中的具體作用機制尚未完全闡明。

JAK/STAT 信號通路主要由酪氨酸激酶相關受體、酪氨酸激酶JAK 以及轉(zhuǎn)錄因子STAT 3個部分構成。作為核-膜信號轉(zhuǎn)導途徑，JAK/STAT 信號通路雖然構成組分簡單，但通過與多種信號分子相互作用，進而參與重要生理活動的調(diào)控。在JAK/STAT信號傳導過程中，首先不同的細胞因子與其靶細胞表面受體結(jié)合后使受體分子二聚化，然后促使JAK磷酸化，接著受體上酪氨酸磷酸化形成的對接位點在SH2 結(jié)構域的促進作用下啟動招募STAT 蛋白，進而誘導STAT 的羥基酪氨酸位點磷酸化，STAT 活化后從受體復合物中分離并形成二聚體，最后STAT轉(zhuǎn)移入核，通過與特定的DNA 片段結(jié)合后發(fā)揮其基因調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄功能［12］。STAT 的活化迅速，活化后的STAT 二聚體進入細胞核中起作用后迅速發(fā)生去磷酸化失活，而后再次被轉(zhuǎn)運至胞漿中等待下一次信號轉(zhuǎn)導效應（圖1）。

圖1 JAK/STAT信號通路示意圖

3.1 酪氨酸激酶相關受體酪氨酸激酶相關受體是與細胞因子特異性結(jié)合，誘導JAKs 和STATs 活化，進而啟動相應生理活動的一種細胞膜型受體［13］。在正常情況下，酪氨酸激酶相關受體并不具有激酶活性。酪氨酸激酶相關受體由含有配體結(jié)合位點的細胞外結(jié)構域、單次跨膜的疏水α螺旋區(qū)、含有蛋白酪氨酸激酶（Protein tyrosine kinases，PTK）活性的細胞內(nèi)結(jié)構域構成。細胞外側(cè)與配體結(jié)合，從而接受外部信息，與之相連的是一段跨膜結(jié)構，細胞的內(nèi)側(cè)為酪氨酸激酶活性區(qū)域，能促進自身酪氨酸殘基的磷酸化以增強該酶活性，再催化細胞內(nèi)的各種底物蛋白磷酸化，激活胞內(nèi)蛋白激酶，從而進行細胞信號的傳導［14］。

3.2 JAKJAK 屬于細胞質(zhì)中的一種非受體型酪氨酸激酶，JAK 家族包含4 個成員，即JAK1、JAK2、JAK3 和TYK2。JAK3 主要在骨髓、淋巴系統(tǒng)以及內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞中表達，其他成員在所有組織中廣泛表達［15］。JAK 分子內(nèi)約含有1 000 個氨基酸殘基，其內(nèi)部有7 個同源域（JH1-JH7），構成JAK 分子內(nèi)的4個不同的結(jié)構域：N 端的FERM 結(jié)構域、SH2 結(jié)構域、假激酶結(jié)構域和激酶結(jié)構域。4 個結(jié)構域整體相似，第1個結(jié)構域是JH1，存在于C端，此結(jié)構域也被稱為激酶結(jié)構域，是4 種JAK 中都含有的催化結(jié)構域，主要發(fā)揮激酶的酶促活性能力。第2 個結(jié)構域JH2 是假激酶結(jié)構域，存在于N 端，其酪氨酸激酶活性不足，無催化能力，但JH2對激酶活性的調(diào)節(jié)作用重大。JAK 還包括與Src-homology-2（SH2）結(jié)構域具有同源性的2 個結(jié)構域JH3、JH4。JAKs的第4個區(qū)域是FERM 結(jié)構域，存在于N 端，在JAKs 與細胞因子受體結(jié)合時發(fā)揮作用［16］。一種細胞因子可以激活多種胞內(nèi)的JAKs，或不同的細胞因子可以同時激活相同的JAKs 發(fā)揮生物學效應。具體的激活機制取決于細胞的類型和細胞所處的微環(huán)境［17］。也正是由于JAKs結(jié)構的特殊性，其在啟動對多種細胞因子受體家族的核-膜信號轉(zhuǎn)導反應中起著關鍵作用，包含白介素、促紅細胞生成素、催乳素等。

3.3 STATSTAT 是JAK 激酶的底物和下游信號分子，它具有進行細胞因子信號轉(zhuǎn)導以及促進特定基因的轉(zhuǎn)錄這兩個重要的生物學功能。STAT 最初以非活化的形式存在于細胞質(zhì)中，被磷酸化的JAK激酶活化后STAT 進入細胞核，與核內(nèi)基因組結(jié)合，上調(diào)相關基因的表達。但無論是活化形式的STAT還是非活化形式的STAT 均以二聚體的形式存在，每個單體有 STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b 和STAT6 共7 種亞型。STAT 蛋白從N 端到C 端主要有氨基末端結(jié)構域、卷曲螺旋結(jié)構域、DNA 結(jié)合區(qū)、連接結(jié)構域、SH2 結(jié)構域（Src homology 2 domain， SH2）及C 端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構域（Tranional activation domains， TAD）。不同結(jié)構域調(diào)控STAT 的不同功能，其中N 端結(jié)構對STAT 發(fā)生磷酸化以及促進二聚體的形成有重要的作用。C 端轉(zhuǎn)錄激活區(qū)通過絲氨酸磷酸化募集轉(zhuǎn)錄激活因子，極大增強了STAT 與DNA 結(jié)合后的轉(zhuǎn)錄活性。DNA結(jié)合區(qū)是STAT-DNA 復合物的形成場所。STAT 的SH2 結(jié)構域在序列上高度保守，其功能主要是識別細胞因子受體的磷酸酪氨酸序列，與活化的JAK 配合，驅(qū)動STAT 的SH2 結(jié)構域與磷酸化后的另一個STAT單體的尾部相互作用，形成同源二聚體或異源二聚體［18］。TAD 在不同的STAT 成員之間有很大的差異，這使得不同的STAT 可以激活不同類型基因和通路的轉(zhuǎn)錄表達，呈現(xiàn)其成員間功能上的不同，如STAT1 參與抑制細胞生長、調(diào)節(jié)細胞分化、促進細胞凋亡、調(diào)節(jié)免疫等［19-20］；STAT2 能夠參與細胞的抗病毒作用、免疫調(diào)節(jié)、抗凋亡以及對腫瘤發(fā)生發(fā)展的調(diào)控等［21］；STAT3 主要參與免疫反應細胞的負調(diào)控，調(diào)控細胞的生長、分化、凋亡以及腫瘤發(fā)生、轉(zhuǎn)移等［22］。不同的細胞因子傾向于激活特定的STAT，但細胞因子之間的相互作用也會在一定程度上影響同一STAT的作用［23］。這使得JAK/STAT信號通路在各種代謝活動的調(diào)節(jié)中均扮演著重要角色。

4 JAK/STAT信號通路與IDD髓核細胞凋亡的聯(lián)系

JAK/STAT 通路在IDD 的發(fā)病機制中扮演著至關重要的作用。研究證實，IL-6 等細胞因子可以通過激活JAK/STAT信號通路誘導細胞凋亡，且IDD的動物模型中也可以同時觀察到JAK/STAT 信號通路的相關靶蛋白表達上調(diào)和髓核細胞凋亡增加［24］。此外，抑制JAK/STAT通路可以降低IDD中髓核細胞的凋亡率［25］。因此，JAK/STAT信號通路可能通過介導髓核細胞凋亡而影響IDD 的進程，但具體機制尚未明確。

4.1 IDD 發(fā)展過程中JAK/STAT 信號通路與ECM 降解、髓核細胞凋亡和炎癥之間的作用

ECM 降解、細胞凋亡和炎癥被稱為椎間盤退行性疾病的三大標志，它們?nèi)咧g相互聯(lián)系、相互影響［26］。促炎細胞因子通過上調(diào)ECM 降解酶的表達并干擾ECM 的組織學結(jié)構，進而誘導ECM 代謝失衡［27］。ECM 本身的降解會產(chǎn)生過量活性氧，導致細胞代謝調(diào)節(jié)能力下降，進一步刺激髓核細胞的炎癥反應［28］。此外，IVD組織中較高的細胞凋亡率及衰老率和較低的ECM 合成能力與炎癥有關，炎癥在誘導IDD 中的髓核細胞凋亡起重要作用。促炎因子，如IL-1β已被證明可以誘導髓核細胞凋亡，IVD中較高水平的IL-6與IDD進展相關［29］。椎間盤突出癥患者在硬膜外給予抗IL-6 受體單克隆抗體（Tocilizumab）后，可緩解腰痛和根性腿痛、麻木等癥狀［30］。研究表明，JAK/STAT信號通路正是介導炎癥與IDD 關聯(lián)的重要中間介質(zhì)。WU C H 等［25］在一項研究中發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可抑制人髓核細胞的細胞凋亡和細胞周期停滯，其機制可能與抑制JAK/STAT3磷酸化和IL-6 產(chǎn)生減少有關。MIAO D 等［24］研究表明，通過瘦素激活JAK2/STAT3 途徑促進大鼠髓核細胞的分解代謝，結(jié)果顯示髓核細胞中Ⅱ型膠原的表達量相對降低。而Ⅱ型膠原表達減少可促進髓核細胞的退化和凋亡［31］。同時，研究［32］發(fā)現(xiàn)JAK1/STAT3信號傳導途徑可能也參與了髓核細胞凋亡的調(diào)節(jié)過程。CHEN B 等［33］在實驗中發(fā)現(xiàn)IL-21 可通過STAT 信號通路刺激炎癥因子TNF-α 間接促進IDD 的進展，其中以STAT3 的表達最強。DU X X等［34］在研究中發(fā)現(xiàn)miR-223 可通過JAK2/STAT1 信號途徑調(diào)控髓核細胞凋亡，進而促進椎間盤ECM 的降解和IDD 的發(fā)生。總之，JAK/STAT 通路通過干預ECM 降解與炎癥反應調(diào)節(jié)IDD 中的髓核細胞凋亡，但具體作用機制仍有待進一步研究。

4.2 IDD發(fā)展過程中JAK/STAT信號通路與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、髓核細胞凋亡之間的關系內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是體內(nèi)蛋白質(zhì)加工折疊的工廠。一旦內(nèi)質(zhì)網(wǎng)受到病理因素的嚴重刺激就會誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激（Endo plasmicreticulum stress，ERS）從而影響蛋白質(zhì)的折疊。IVD 作為重要的器官，需要合成和加工大量的膠原蛋白和蛋白聚糖以維持功能，因此IVD 的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)更易于發(fā)生ERS。研究表明，機械負荷過大、營養(yǎng)缺乏、代謝紊亂、炎癥等多種病理因素可誘發(fā)ERS的慢性激活并誘導椎間盤ECM 降解和髓核細胞凋亡等從而進一步促進IDD的進展［35］。目前尚無直接證據(jù)表明IDD 發(fā)病進程中ERS 與JAK/STAT 信號的聯(lián)系。然而，有研究表明人類丙型肝炎病毒通過激活ERS 而上調(diào)STAT3 的蛋白表達［36］，同時研究發(fā)現(xiàn)，在原代星形膠質(zhì)細胞中PERK/JAK1/STAT3通路被激活以響應ERS 誘發(fā)的炎癥［37］。總體而言，這些發(fā)現(xiàn)表明STAT3 在ERS 中的影響，但STAT3 是如何被激活以響應ERS，特別是在IDD 髓核細胞凋亡中的機制需要進一步研究（圖2）。

圖2 JAK/STAT信號通路調(diào)控IDD髓核細胞凋亡示意圖

5 JAK/STAT信號通路作為IDD的潛在治療靶點

目前以JAK/STAT 信號通路作為靶點開發(fā)相關藥物治療IDD 的相關研究相對較少。抑制JAK/STAT 信號通路的抑制劑主要包括細胞因子信號轉(zhuǎn)導負調(diào)節(jié)因子（SOCS 蛋白）、JAK 抑制劑、STAT 蛋白抑制劑、蛋白酪氨酸磷酸酶（Protein tyrosine phosphatases， PTPs）等［13］。SOCS 家族包含有細胞因子誘導的含sh2 蛋白（CIS）及SOCS1～7 共8 種類型［38］。其中SOCS1和SOCS3可抑制JAK1、JAK2和TYK2激酶活性，但不能抑制JAK3 的活性［39］。有趣的是，當STATs 激活后可以促進SOCS 蛋白的表達，而SOCS蛋白在與磷酸化的JAK和JAK受體結(jié)合后反而會抑制JAK/STAT 信號通路的信號傳導［40］。研究發(fā)現(xiàn)［32］在腰椎間盤突出患者中有一定量的SCOS3 蛋白表達，因此SOCS 基因或許可以作為治療IDD 的靶基因，為開發(fā)治療IDD的相關藥物提供新的方向。

當前市場上及臨床試驗中常用的JAK 抑制劑有魯索利替尼（Ruxolitinib）、托法替尼（Tofacitinib）、AG490、巴瑞替尼（Baricitinib）、菲卓替尼（Fedratinib）等［41］。不同的抑制劑對JAKs 具有不同的選擇性及作用強度，如魯索利替尼是一種對JAK1 和JAK2 的選擇性強效抑制劑，托法替尼是JAK1 和JAK3 的選擇性強效抑制劑。JAK抑制劑作為新的小分子靶向藥物，已成功應用于類風濕性關節(jié)炎等疾病的治療［42］。隨著對JAK 靶點科學研究的逐步深入，JAK抑制劑在自身免疫性疾病的應用中也取得了較好的治療效果［43］。鑒于JAK 抑制劑的應用前景，探究JAK 抑制劑治療IDD 的分子機制已成為相關研究的熱點內(nèi)容，但遺憾的是，目前尚無有效的藥物被批準用于IDD的臨床治療。未來JAK抑制劑有望成為治療IDD潛在的靶點，有待進一步深入研究。

目前常用的STAT 抑制劑主要有Stattic、AG490、氟達拉濱（Fludarabine）、青蒿琥酯等，但STAT 抑制劑目前的應用焦點是抗腫瘤治療。盡管已引入了多種STAT 抑制劑，但由于其選擇性、生物利用度、相似的同源性及在生物體內(nèi)功效不一等問題，目前尚未成功開發(fā)適用于臨床的STAT 抑制劑［44］。因此，能否將STAT抑制劑應用于IDD仍需進一步深入研究。

PTPs 家族與PTK 共同維持酪氨酸蛋白磷酸化的平衡，參與細胞的信號轉(zhuǎn)導，調(diào)節(jié)細胞的生長、分化、代謝、基因轉(zhuǎn)錄和免疫應答等。PTPs 通過與JAK、STAT 或酪氨酸激酶相關受體相互作用來抑制JAK/STAT通路，主要方式有：⑴使STAT二聚體去磷酸化；⑵與酪氨酸激酶相關受體相互作用，使相關的JAK 去磷酸化；⑶在CD45（一種通過去磷酸化過程傳導細胞信號的跨膜PTP）的作用下，抑制JAK 的磷酸化［45］。適當水平的酪氨酸磷酸化對于維持多種細胞生理活動至關重要，但由于突變、調(diào)節(jié)異常或PTP表達改變而發(fā)生的異常酪氨酸磷酸化與許多人類疾病和紊亂有關［46］。正因如此，很少有研究將其應用于以JAK/STAT作為靶點治療IDD。

6 小結(jié)與展望

在IDD 的發(fā)展過程中，髓核細胞扮演著至關重要的角色，炎癥、髓核細胞凋亡和細胞外基質(zhì)的降解都能減少髓核細胞的數(shù)量，從而誘發(fā)IDD。髓核細胞的正常功能的維持取決于ECM 中Ⅱ型膠原和蛋白聚糖之間的合成與分解代謝平衡，此種平衡又依賴于機體內(nèi)復雜的代謝通路中的信號分子對髓核細胞微環(huán)境的調(diào)節(jié)。在IDD 中，髓核細胞的合成代謝弱于分解代謝，這促進了細胞外基質(zhì)的降解和髓核細胞凋亡。在細胞凋亡、ERS 和炎癥等多種重要生理過程中JAK/STAT 信號通路均表現(xiàn)出重要的作用，但目前的研究表明JAK/STAT 通路主要受炎性細胞因子的激活從而調(diào)控髓核細胞的凋亡來影響IDD 的發(fā)病，其是如何通過介導ERS 及自噬來調(diào)控髓核細胞凋亡進而影響IDD 需進一步深入研究。雖然目前臨床試驗中大多數(shù)針對JAK/STAT 信號通路的藥物對IDD 的有效性以及確切的機制尚不清楚，但JAK/STAT通路仍有望成為IDD重要的治療靶點。進一步探究JAK/STAT 通路有助于闡明IDD 的具體發(fā)病機制，這對未來IDD 的防治與提高IDD 患者生活質(zhì)量具有重大的臨床意義。