张涛D14096分子生物学作业

STAT的生殖作用的研究进展动物遗传育种与繁殖张涛D14096引言：信号转导与转录激活因子(Signaltransducerandactivatoroftranscription，STAT)是一种存在于胞浆并在激活后能够转入核内与DNA结合的蛋白，具有信号转导和转录调控双重功能。当细胞受某些细胞外多肽刺激时，STAT被激活形成同二聚体或异二聚体，由脆浆移位于胞核，与DNA结合，调节基因表达[1]。迄今为止，已有7种哺乳动物的STAT被克隆，即STATl、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b、STAT6[2]。根据STAT蛋白的功能，可将STAT蛋白分为两大类。第一类包括STAT2、STAT4和STAT6。这类蛋白可被-,b类细胞因子所激活，在T细胞的发育和IFNl,信号通路中起着重要的作用。另一类包括STATl、STAT3和STAT5，这类蛋白可在不同组织中被不同的细胞因子、生长因子以及激素所激活，在胚胎发育、乳腺发育以及细胞周期调控中具有重要的作用。本文将对STAT在生殖方面的研究进展进行综述。1.STAT家族STAT是一种能够结合于DNA的独特蛋白家族。目前已发现STAT家族存在7个成员，即STATl、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b、STAT6(Mitchell等，2005)。STATl主要参与INFs的应答反应，STATl不足可致病毒感染敏感性增加和胞内病原感染调控失调；STAT2仅被IFN-a／8和IFN—ks活化；STAT3能够被多种细胞因子(IL-6、IL一10、IFN—a／B)激活，在胚胎鼠的发育过程中起着重要作用，STAT3与肿瘤密切相关；IL-12、IL-23、IFN-e激活STAT4，并且通过与STAT2相互作用活化IFN受体；生长激素、催乳激素、表皮生长因子、血小板源生长因子、造血细胞因子II．,-13、巨噬细胞迁移刺激因子、IL-15、红细胞生成素、IL-2、IL一4、IL-7、11．-9、IL_15都可激活STAT5；IL-4、lL-13、B细胞中IFN—a可以激活STAT6，其靶基因包括免疫球蛋白￡链、CD23、MHCclassII、GATA-3和c—mar，沉默S似T6基因导致Th2免疫反应减弱，抑制Th2细胞分化，较少lgE蛋白生成(Ivashkiv等，2004)。STATs蛋白可以在多种类型细胞中表达，参与正常情况下细胞的生理过程，同时在人恶性肿瘤中，其表达异常(Sahu等，2009)。在结构和功能上，STAT因子具有保守的结构域。STAT因子保守的结构域包括：①N端结构域(N．terminaldomain)，氨基末端约50个氨基酸残基的保守片断，与STATs功能密切相关，如果去除-4,部分，被磷酸化的能力即丧失；②卷曲螺旋(coiled．coil)结构域，为转录因子和调节蛋白质提供作用位点；③DNA结构域(DNA．bindingdomain，DBD)，大约由320—480个氨基酸组成，位于C一末端结构域与卷曲螺旋结构域之间，组成了免疫球蛋白的a螺旋和B螺旋。因为STAT因子被激活后，DNA结合结构域可以有多种构象改变，所以DNA结合结构域是否有其它的功能，还有待于进一步地研究；④连接区(1inker)，可维持DNA结合域和SH2结构域的空间构象稳定，在转录调节中发挥着重要作用；(亘)SH2(Srchomology2domain)／酪氨酸磷酸化位点结构域，，STAT因子的SH2结构域为580．680个氨基酸残基大小。SH2结构域能够与特异性的磷酸酪氨酸基序结合，从而在信号传递中发挥重要作用。研究发现，网柄菌属中STAT因子的SH2结构域是最原始的SH2结构域，而且SH2结构域是STAT分子中最保守区域；⑥C端的转录活化域(transcriptionalactivationdomain，TAD)，约40个氨基酸残基，这一区域具有相对较差的序列保守性，成为结合不同调节因子的物质基础，从而决定了STAT因子的特异性。(图1)其中最保守也是其功能最重要的区段是SH2结构域，它不仅具有与Src蛋白酪氨酸激酶的SH2结构域完全相同的保守核心序列GTFLLRFSS，而且其功能也与后者完全一致：即这个核心序列中的Arg残基可直接结合另一分子上的磷酸酪氨酸残基从而介导两个分子之间的连接[3]。2.JAK-STAT信号通路2.1JAK家族JAK(Januskmase)是一种蛋白酪氨酸激酶，迄今为止共发现有4个家族成员，即JAKl、JAK2JAK3和JAK4，整个分子可分为7个结构域。(1)JHl，位于羧基末端，具有激酶催化功能．其中有高度保守的八残基特征性序列FwF。(2)JH2，与激酶功能相关，但不具有直接的催化活性。(3)JH3一JH7，功能不明确，可能与细胞因子受体的结合有关。JAKl、JAK2、Jyk2广泛分布于多种组织细胞，而JAK3仅见于自细胞中。2.1STATsSTATs(signaltransducerandactivatoroftranscription)，是JAKs的直接底物，能将信号直接传递到核内，调节特定基因的表达．共包括6个家族成员，即STATl～6．STAT蛋白长约800个氨基酸，分子量89～97kDa，其编码基因在染色体上紧密连锁№J．结构上STATs具有SH2和SH3功能区，SH2序列高度保守，位于第600～700位氨基酸之间，与STATs的激活有关．SI-13则位于第500～600位氨基酸之间，序列保守性较SH2差，能结合富含脯氨酸的序列，功能尚不明确、此外，STATs还具有DNA结合区，不同的STATs常有共同的DNA结合基序，但最佳结合点有差异LJ川．2.3、JAK—STAT的信号传递过程JAK—STAT信号传递的基本过程可概括为：①细胞因子与其相应配体结合；②受体和JA豇发生聚集，邻近的JAKs相互磷酸化而被活化；③JAKs的JHl结构域催化STATs上相应部位的酪氨酸残基磷酸化，同时STATs的SH2功能区与受体中磷酸化的酪氨酸残基作用而使STATs活化：④sTATs进入核内同其他一些转录因子相互作用从而调控基因转录L8J．不同的细胞因子其应答的具体的JAKs—sTATs途径各有不同．在I型细胞因子受体的胞内结构域中，JAKl和JAK2定位于一个富含丝氨酸的近膜区域，包括富含脯氨酸的Boxl位点．此外，根据受体结构的不同，还可能同羧基端的V—Box、Box2或X—Box位点相作用．JAKl在I型受体复合物中仅起一种辅助作用，它能同GH，IL一2受体的8链，gpl30链和gpl30的同源物一G—CSF受体相作用．JAK2则能与同聚化的受体链，IL一3受体亚族中的陋链，IL一6／CNTF受体亚族的gpl30亚基结合，并导致STATS的磷酸化．值得注意的是，JAK2催化STAT5并不要求STAT5先与受体的特定位点结合，那样的结合仅增加FAK2和STAT5之间的作用几率．JAK3主要同IL一2受体亚族的多链受体作用从而引起STAT5的磷酸化，并且优先同IL一2受体亚族的7c相连．Tyk2对Ⅱ型受体的功能有决定作用，其中牵涉到IFNcdp引起的STATS的磷酸化【9，loJ．结合细胞因子后受体亚基发生二聚化或多聚化u川，并影响与之偶联的JA硌，激活JAI(8的自磷酸化．这样，JAKs成为了一个相互转移磷酸基过程中的底物，它们的催化功能因为JHl结构域活化环上的酪氨酸残基的磷酸化而被激活．在免疫斑点实验中酪氨酸残基的磷酸化可以在配体结合后的几分钟内被检测出．进一步的实验证明，JAK的相互磷酸化与STAT5的功能有关．在JAK2一GyrB蛋白转染的细胞中，JAK的磷酸化伴随着该蛋白的二聚化，其氨基端结构对STAT5的磷酸化是必需的．在鼠类脂肪细胞或T细胞中TNF或PRL对JAK自激活的影响与二价染色体受体抗体和受体之间的结合类似．对Epo—JAK嵌合体的研究同样证明，JAK2受体能独立地磷酸化STAT5．对于在I型细胞因子受体中的同源二聚体引起的STAT5的磷酸化来说，典型的JAK自激活只需JAK2的相互活化，但在多个受体组成的多链受体中可能就较复杂，因为多链受体和IL一5受体的信号转导需要多种JAK之间的相互配合．如在多链受体引起的STATs的磷酸化，就需要两种JAKs的协同作用．这不仅需要JAKl，大多数涉及STATS的细胞因子信号的传递也不能缺乏JAK2或JAK3．在IL一2受体8偶联的JAKl的磷酸化中就需要JAK3协助，而IL一5受体复合物中磷酸化的JAKl与鼬的偶联还依赖于磷酸化IL一5受体a的结合[4]。3STAT生殖作用研究进展3.1通过JAK-STAT信号通路调节生殖JAK(Januskinase)属于蛋白酪氨酸激酶(PTK)中的一种，可以介导细胞因子与其受体结合后的信号蛋白分子级联活化反应。细胞因子、生长因子等与其相应受体结合后激活JAK，进而激活信号转导子和转录激活子(signaltransducerandacti—vatoroftranscription，STAT)(Li，2008；Saha等，2006；Proia等，2011)。研究结果发现，JAK—STAT途径是机体内普遍存在的信号通路之一，参与机体细胞的增殖、分化、存活、凋亡，介导机体免疫失调和肿瘤生成等过程。陈朝晖，赵军等将含人雄激素受体和雄激素受体报告基因氯霉素乙酰转移酶质粒转染至人前列腺癌细胞株PC-3M，集落刺激因子作用于转染了雄激素受体及其报告基因的细胞．对照组中同时加入终浓度为50mmol／L的JAK．STAT途径特异性阻断剂AG-490。检测外源性雄激素受体和报告基因的表达量。结果发现PC-3M细胞能够表达外源性雄激素受体，10～100ug／L的G—CSF、GM—CSF、IL一3和SCF均能激活PC一3M细胞中外源性雄激素受体，检测到CAT的表达量在(0．58±0．16)pg／g到(3．80±0，89)pg／g之间，其表达量与培养基中的CSF浓度成正比；在终浓度50mmol／LAG-490的对照组中报告基因表达量显著下降或检测不到表达。结论SCF能够激活PC．3M中外源性雄激素受体表达，JAK—STAT途径可能是人前列腺癌细胞雄激素受体旁路激活的机制之一[5]。在过去几年里，一些研究证实了JAK-STAT在果蝇的睾丸中能调节生殖干细胞的自我更新、保持和分化。果蝇的精子发生在管状睾丸(tubulartestis)中形成，在果蝇睾丸的顶端是一个由大量体细胞组成的生殖嵴和少量的生殖干细胞组成的增殖中心．据有关报道，干细胞生活在微环境(niche)中，而这些微环境能决定他们是自我更新，还是分化的能力。干细胞的不对称分裂能够控制果蝇中的精子发生，子细胞只要跟hub相连，就会保持干细胞的特性，而如果不跟hub相接触的话，就会开始分化。，这可能是远离hub的细胞不能获得能激活特定基因表达的Hop/stat92E信号的足够水平，从而丧失自我更新的能力．TulinaN等为了证实JAK/STAT是否能促进干细胞的自我更新，用GAL4/uAs系统来过度表达Upd，过度表达了upd的睾丸中，大约一半(43／91)出现了明显的早期细胞的堆积，而这些细胞都是远离hub的．通过形态学和DNA印记的鉴定，这些细胞是未分化生殖细胞和体细胞的混合物．为了区别Stat92E是保持Gsc的自我更新还是保持其活力，TulinaN等形成了元StAT92E的克隆体模型，这样无Stat92E的GSC就不能对Upd产生反应．两天后，无stat92E的GSC能够被发现，然而，到了第五天，无Stat92E的GSC就变得很少，到了第九天，就完全缺失；而对照组的GSC仍然存在，从而可以推断，在生殖腺中的GSC的增殖需要Stat92E的存在[6]。马红，杨增明研究了白细胞介素11（IL-11）是以gp-130为信号转导因子的细胞因子IL-11受体（IL-11R）有IL-11Rα和IL-11Rβ两种同工型。IL-11与靶细胞表面的特异性受体IL-11R结合后，通过活化细胞内的J