JAK2-STAT3信号通路介导骨关节炎发病机制的研究进展

宋国瑞，张晨，刘子歌，程萌旗，陈德胜

(1.宁夏医科大学临床医学院，银川 750004; 2.上海交通大学附属第六人民医院关节外科，上海 200233; 3.宁夏医科大学总医院骨科，银川 750004)

骨关节炎严重影响人们的生活质量，以老年患者居多，其中65岁以上老年人群骨关节炎患者的比例达50%以上[1]。骨关节炎病变主要累及髋、膝负重大关节的关节软骨、软骨下骨及滑膜，部分患者以踝、手等小关节受累为主，病理改变以软骨破坏、滑膜增生、骨赘形成、关节间隙变窄为主[2-3]。随着我国人口老龄化进程的加快，骨关节疾病患病人数逐年增加，严重影响患者日常生活质量，因此，骨关节炎等相关骨关节疾病发病机制的研究十分重要。大量分子生物学实验均证实，JAK激酶(Janus kinase，JAK)2/信号转导及转录激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)3信号通路在介导骨关节炎炎症反应过程中发挥了重要作用[4-6]。信号通路又称信号转导通路，指细胞在发生某种反应时，信号通路经一系列酶促反应激活，将细胞外分子信号经细胞膜传入细胞内，引发细胞启动应答反应[7-8]。与骨关节炎发病机制相关的常见信号通路有：①促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)信号通路；②Wnt信号通路；③核因子κB信号通路；④Notch信号通路；⑤转化生长因子-β/骨形态发生蛋白信号通路；⑥其他信号通路，目前尚无某一种信号通路能够完全阐释骨关节炎的发病机制，因此，仅阻断某一信号通路无法达到有效治疗骨关节炎的目的[9-12]。目前，对骨关节炎发病机制相关经典信号通路的研究较成熟，JAK2-STAT3信号通路与骨关节炎发病机制的研究仍有待进一步探究。现就近年来国内外关于JAK2-STAT3信号通路介导骨关节炎发病机制的研究进展予以综述，以期为骨关节炎发病机制的研究提供依据。

1 JAK2-STAT3信号通路的概述

1.1JAK2-STAT3信号通路的组成 JAK2-STAT3信号通路由JAK相关受体、JAK、STAT三部分组成。细胞外许多细胞因子、生长因子和激素[如白细胞介素(interleukin，IL)-2～IL-7、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、表皮生长因子、血小板衍生生长因子、生长激素、干扰素]作为常见细胞配体在细胞膜上均有各自相应的受体；许多受体本身不具有激酶活性，但其细胞内部具有JAK的结合位点，受体与配体结合可激活相应信号通路，从而进一步发生信号级联反应[13-14]。

JAK是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶，JAK蛋白家族包括JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，其中JAK1、JAK2及TYK2存在于机体各种组织细胞中，而JAK3仅存在于骨髓和淋巴系统中。JAK1主要在细胞因子与受体结合过程中发挥作用；JAK2主要介导配体和受体间信号转导；JAK3作用与JAK1相似，但仅在造血细胞中表达；TYK2主要调节淋巴细胞中的α干扰素、β干扰素、IL-6、IL-10和IL-12。研究发现，急性淋巴细胞性白血病患者存在TYK2缺陷[15-16]，故目前主要探讨JAK2在骨关节炎研究中所介导的信号通路。

STAT蛋白在信号转导和转录激活上发挥至关重要的作用，目前已发现STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6七个相关成员[17-18]。STAT蛋白的结构十分相似，但每种蛋白由不同的基因编码，在结构上可分为以下几个功能区段：C端转录激活区，N端保守序列，DNA结合区，SH2、SH3结构域，其中SH2结构域是最保守、最重要的区段[19-20]。

1.2JAK2-STAT3信号通路的作用 JAK2-STAT3信号通路由细胞因子刺激信号转导通路，其主要作用是将来自细胞外的化学信号经一系列反应传递给细胞核，导致与细胞增殖、分化、损伤、氧化应激、炎症反应、凋亡及免疫调节等许多相关重要基因DNA的转录和生物学表达[21-22]。细胞膜受体与细胞外配体结合，使受体分子发生二聚化，随后配体-受体复合物在胞内募集JAK，胞内JAK通过酪氨酸磷酸化激活，激活的JAK催化受体上的酪氨酸残基发生磷酸化，随后被磷酸化的酪氨酸位点与周围的氨基酸序列形成“停泊位点”，此时含有SH2结构域的STAT蛋白被招募，JAK催化STAT蛋白发生磷酸化，活化的STAT蛋白以二聚体形式进入细胞核并与靶基因结合，调控基因的转录，使细胞信号由细胞外转入细胞内，完成细胞信号的转导[15,23]。

2 JAK2-STAT3信号通路在骨关节炎发病机制中的作用

人体的诸多关节(如膝关节、髋关节)由软骨、软骨下骨、滑膜及周围的韧带所构成，骨关节炎是骨关节的非特异性炎症性疾病，发病机制与关节内各种组织的炎症反应密切相关，相关信号通路的研究对明确骨关节炎发病机制具有积极意义，可为骨关节炎的治疗提供可靠的理论依据。

2.1JAK2-STAT3信号通路在骨关节炎滑膜及血清中的作用 滑膜为附着于关节囊、关节内韧带、肌腱以及软骨表面的结缔组织，滑膜组织可分泌关节滑液，并具有强大的吞噬功能。关节的炎症反应常继发滑膜增生，因此，可通过检测关节滑膜中炎症因子、炎症介质及相关蛋白的表达水平探索骨关节炎的发病机制。

通过抑制信号转导通路所介导的炎症反应可延缓疾病进展。翁艳等[24]对使用不同浓度JAK2/STAT3特异性抑制剂AG490处理股骨头坏死大鼠模型的研究发现，不同浓度通路抑制剂均可在一定程度上抑制JAK2/STAT3信号通路，并引起相应因子及蛋白含量(JAK2、STAT3、血管内皮生长因子、缺氧诱导因子-1α、转化生长因子-β、骨形态发生蛋白2、细胞色素P4503A、信使RNA)的变化。杨琳等[25]研究发现，秦艽醇提物对佐剂性关节炎大鼠血清IL-6和肿瘤坏死因子-α水平及滑膜组织磷酸化JAK2、STAT3的表达均有抑制作用。目前，磷酸化JAK2、STAT3的研究是相关研究的热点[26-27]。Li等[28]的研究发现，类风湿关节炎患者滑液及血清CXC趋化因子配体16、CXC趋化因子受体6和核因子κB受体活化因子配体含量均高于骨关节炎患者，且经CXC趋化因子配体16治疗类风湿关节炎患者促成纤维样滑膜细胞中核因子κB受体活化因子配体含量显著升高；当抑制剂阻断STAT3或p38激活时，CXC趋化因子配体16不能上调核因子κB受体活化因子配体的表达，但抑制蛋白激酶B或胞外信号调节激酶通路并未达到同样的效果，由此可见，CXC趋化因子配体16通过JAK2/STAT3和p38/MAPK信号通路的介导可上调类风湿关节炎患者促成纤维样滑膜细胞中核因子κB受体活化因子配体的表达。邓龙飞等[29]研究发现，威灵仙总皂苷可通过降低佐剂性关节炎大鼠滑膜组织中JAK2、STAT3信使RNA的表达抑制JAK2/STAT3信号通路。

2.2JAK2-STAT3信号通路在骨关节炎软骨细胞代谢中的作用 软骨细胞是合成和分泌基质与纤维的主要软骨组织，其形态因存在部位不同而存在差异[30]。Xu等[31]通过对兔骨关节炎模型关节腔进行丹参注射干预并检测关节软骨JAK/STAT3和蛋白激酶B信号通路相关蛋白表达的研究发现，丹参可参与调控JAK2/STAT3和蛋白激酶B信号通路，减轻骨关节炎的关节软骨破坏。刘军等[6]对骨关节炎小鼠模型软骨细胞JAK2/STAT3信号通路中相应蛋白进行分组检测证实，抑制软骨细胞凋亡能够提高软骨细胞线粒体抗氧化应激能力，且JAK2/STAT3信号通路参与了软骨细胞凋亡的调节。胡炯等[32]分别检测骨关节炎模型大鼠及健康大鼠关节软骨中磷酸化-JAK2、磷酸化-STAT3、Bcl-2、Bax蛋白表达水平的研究发现，与健康大鼠相比，骨关节炎大鼠JAK2/STAT3信号通路受到明显抑制，且软骨细胞凋亡速度加快。Yao等[33]对小鼠骨关节炎模型的研究发现，DUSP19上调可通过激活JAK2/STAT3途径抑制IL-1β诱导的软骨细胞凋亡和基质金属蛋白酶表达。

长链非编码RNA是一类转录产物，不具有编码蛋白质的功能，在多种生物学过程中发挥重要作用[34-37]。研究证实，骨关节炎患者的长链非编码环状 RNA显著上调，长链非编码环状RNA的过表达促进了骨关节炎中软骨细胞外基质的降解[38]。Zhang等[39]对全膝关节置换术骨关节炎患者关节软骨的研究发现，骨关节炎患者软骨组织中长链非编码RNA-非蛋白编码RNA的表达上调。非蛋白编码RNA通过miR-216a-5p/JAK2/STAT3信号通路抑制骨关节炎软骨细胞的炎症和细胞增殖，并促进软骨细胞的凋亡，提示非蛋白编码RNA可能是治疗骨关节炎的有效生物标志物和潜在治疗靶点。柴立民等[40]对经益气活血解毒方干预的小鼠血清和关节中相关基因表达的研究证实，益气活血解毒方能够抑制IL-6介导的JAK/STAT信号通路的活性，调节基质金属蛋白酶/金属蛋白酶组织抑制剂的失衡状态，抑制关节软骨及骨质的炎性损伤。

3 JAK2/STAT3信号通路的调控

3.1JAK2/STAT3的正向调控 信号转导衔接分子、STAT-相互作用蛋白和SH2B/Lnk/APS家族是最常见的参与JAK2/STAT3信号通路的正向调控效应蛋白。信号转导衔接分子包含VHS和SH3两个结构域，能够正向调控JAK2/STAT3信号通路，促进特定靶基因(如MYC)的转录激活；STAT-相互作用蛋白是一种WD40蛋白，可使JAK和非磷酸化的STAT相关联，促进JAK磷酸化STAT；SH2B/Lnk/APS家族含有pleckstrin同源性和SH2结构域，也是JAK磷酸化的底物，其中SH2-Bβ可促进JAK/STAT信号转导。

3.2JAK2/STAT3信号通路的负向调控 细胞因子信号转导抑制因子、激活STAT蛋白抑制因子和蛋白酪氨酸磷酸酶是最常见的参与JAK2/STAT3信号通路负向调控的效应蛋白[4]。细胞因子信号转导抑制因子通过结合受体上的酪氨酸或直接结合JAK特异性地抑制JAK的活性；此外，细胞因子信号转导抑制因子还可与延伸蛋白BC复合物和cullin 2相互作用，促进JAK和可能受体的泛素化，负向调控JAK2/STAT3信号通路。激活STAT蛋白抑制因子能够与激活的STAT二聚体结合并阻止其与DNA结合。蛋白酪氨酸磷酸酶通过改变JAK活性促使激活信号分子的去磷酸化，负向调节JAK/STAT信号转导。

4 JAK2/STAT2与其他信号通路的相互作用

JAK2/STAT3通路的信号转导机制较简单，在骨关节炎发病机制中，多种信号转导通路相互影响，相互作用，其中受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)/Ras/MAPK是最常见的相互作用通路，各信号转导通路间的关系复杂。一方面，活化的JAK可磷酸化其相关受体上的酪氨酸，磷酸化的酪氨酸位点与周围的氨基酸序列结合，可作为其他信号转导通路中含有SH2结构域的停靠位点，如胰岛素受体底物和p85的募集和JAK磷酸化，导致磷脂酰肌醇-3-激酶途径的活化。JAK/STAT转导信号通过细胞因子信号转导抑制因子3与Ras信号负调节物RasGAP的结合，间接促进Ras信号转导，并降低其活性，从而促进Ras途径的激活。另一方面，RTK通路活性可通过至少两种机制促进JAK/STAT信号转导：①某些RTK(表皮生长因子受体和血小板衍生生长因子受体)的激活可导致STAT的JAK非依赖性酪氨酸磷酸化，其机制可能由Src激酶引起；②RTK/Ras通路刺激可引起MAPK的下游激活，MAPK可特异性磷酸化大多数STAT C端的丝氨酸。尽管对于STAT活性不是绝对必要的，但是这种丝氨酸磷酸化能够通过STAT显著增强转录激活。除RTK和磷脂酰肌醇-3-激酶与JAK/STAT信号转导通路的相互作用外，转化生长因子-β信号转导通路亦可与JAK/STAT信号转导通路存在多重交互[41]。

5 小 结

骨关节炎的病因及发病机制相对复杂，与多因素、多层次综合因素相关，具体机制目前尚未完全阐明。JAK2-STAT3信号转导通路参与介导了骨关节炎的发生、发展，在骨关节炎发病机制中，各信号通路相互影响、相互作用，仅抑制某一信号通路治疗骨关节炎的疗效欠佳；利用各信号转导通路间的相互作用对骨关节炎进行综合治疗才可能获得良好的疗效。目前，JAK2-STAT3信号转导通路参与骨关节炎发病机制的研究仍处于初期研究阶段，随着研究的不断深入，对骨关节炎发病机制的认识将逐渐明确，将为骨关节炎的临床治疗带来新的希望。