JAK

Z BioInf

Kinazy JAK

Kinazy JAK (Janus Kinase) należą do rodziny eukariotycznych niereceptorowych tyrozynowych kinaz białkowych. Ludzkie kinazy JAK1 oraz JAK2 zostały odkryte przez Wilksa w 1989 roku [1], który zidentyfikował ich sekwencje kodujące w oparciu o tzw. zagnieżdżony PCR. Te nowe wtedy kinazy zostały nazwane Just Another Kinase. Do rodziny kinaz JAK należą ponadto JAK3 oraz TYK2 (Tyrosine Kinase 2).

Kinazy JAK są białkami wielodomenowymi o ciężarze cząsteczkowym wynoszącym około 120-140 kDa. Ich budowę ilustruje Schemat 1. Sekwencja białek JAK została podzielona na siedem regionów homologii JH1-7 (JAK Homology) z początkiem na C-końcu [2].

Schemat 1: Struktura domenowa kinaz JAK, PTK - Protein Tyrosine Kinase, KLD - Kinase-like Domain (żródło: A.F.Wilks Seminars in Cell & Developmental Biology 19(2008): 319-328)

Domena katalityczna (JH1, o ciężarze cząsteczkowym około 40 kDa) znajduje się na C-końcu białka i jest funkcjonalną kinazą tyrozynową. Z domeną JH1 sąsiaduje tzw. domena pseudokinazowa JH2. To właśnie te dwie sąsiadujęce ze sobą domeny zainspirowały nazwę kinaz JAK - kinazy Janusa. W mitologii starożytnego Rzymu Janus był bożkiem o dwóch twarzach strzegącym początków i przejść, wrót i drzwi. Funkcja domeny JH2 (KLD - Kinase-like Domain) polega na negatywnej regulacji aktywności katalitycznej domeny kinazowej JH1. Pomimo homologii do domeny kinazowej, jest ona pozbawiona kluczowych aminokwasów katalitycznych, a tym samym aktywności kinazowej. Na przykład motyw DFG został zastąpiony przez DPG [3]. Usunięcie domeny JH2 prowadzi do konstytutywnej aktywacji kinaz JAK [4,5].

W części N-końcowej białek JAK zostały zidentyfikowane dwie dodatkowe domeny (oprócz JH1 i JH2): FERM oraz SH2. Rola tych domen polega przede wszystkim na asocjacji całego białka do cytoplazmatycznej cześci receptorów cytokin, czynników wzrostu oraz hormonów. Domena SH2 (Src Homology) występuje u wielu cytoplazmatycznych kinaz tyrozynowych. Obejmuje region JH3 oraz częściowo JH4. Uczestniczy w oddziaływaniu z fosfotyrozynami białek sygnałowych. Domena FERM (Four ponit one, Ezrin, Radixin, Moesin Homology) znajduje się na N-końcu białek JAK (regiony JH4 do JH7). Zbudowana jest z trzech subdomen: F1 homologicznej do ubikwityny, F2 - do białek wiążących acylo-CoA, a także F3 - do plekstryny. Jej główna rola to asocjacja z receptorami.

Tabela 1: Konserwowane tyrozyny kinaz JAK ulegające autofosforylacji
kinaza JAK para tyrozyn
JAK1 Tyr1038/Tyr1039
JAK2 Tyr1007/Tyr1008
JAK3 Tyr980/Tyr981
TYK2 Tyr1054/Tyr1055

Ważną częścią struktury domeny kinazowej kinaz JAK jest pętla aktywacyjna, w której zlokalizowane są charakterystyczne dla kinaz JAK ewolucyjnie konserwowane pary tyrozyn (przedstawione w Tabeli 1). Mechanizm aktywacji kinaz JAK opiera się na autofosforylacji tych reszt tyrozyny. Dołączenie reszt fosforanów powoduje otwarcie pętli aktywacyjnej i przesunięcie motywu DFG do konformacji aktywnej DFG-in, zdolnego do wiązania kationów magnezu. Autofosforylacja umożliwia również wiązanie wielu białek regulatorowych, np.: SOCS, PTP. Charakterystyczna dla kinaz JAK jest również tzw. pętla insercyjna zaangażowana w regulację ich aktywności fosforylacyjnej [6].

Ścieżka JAK/STAT


Kinazy JAK są częścią sieci sygnalnej JAK/STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription), która przewodzi sygnały zewnątrzkomórkowe pochodzące od cytokin, interferonów oraz czynników wzrostu. Wiązanie liganda do receptora transmembranowego prowadzi do jego dimeryzacji i aktywacji, a w konsekwencji do autofosforylacji i atywacji kinaz JAK [7]. Białka STAT kotwiczą do ufosforylowanego receptora za pośrednictwem domen SH2 [8]. Fosforylacja białek STAT przez kinazy JAK umożliwia ich dimeryzację oraz translokację do jądra komórkowego. Heterodimery białek STAT pojawiające się najczęściej to: STAT1:STAT2, STAT1:STAT3 oraz STAT5A:STAT5B. Proces translokacji czynników transkrypcyjnych STAT do jądra komórkowego jest zależny od importyny α-5, a także od jądrowego importu zależnego od GTP-azy Ran [7].

Schemat 2: Elementy negatywnej regulacji ścieżek JAK2/STAT (CR - cytokine receptor, Ub - ubiquitin, DUB - deubiquitinase)

Najważniejsze białka efektorowe o roli regulatorowej ścieżek JAK/STAT, zilustrowane na Schemacie 2, to:

  • PIAS (Protein Inhibitor of Activated STAT), wiążą dimery białek STAT przeciwdziałając ich wiązaniu do odpowiednich regionów promotorowych DNA [7,9];
  • PTP (Protein Tyrosine Phosphatase) takie, jak: SHP-1, SHP-2 (SH2 Containing Phosphatase), CD45 (Cluster of Differentiation 45), PTP1B (Protein Tyrosine Phosphatase 1B), TC-PTP (T-cell Protein Tyrosine Phosphatase), PTP-BL (Protein Tyrosine Phosphatase – Basophil-like) mogą defosforylować kinazy JAK oraz receptory [10,11];
  • SOCS (Suppressor of Cytokine Signaling), regulują ścieżkę JAK/STAT na zasadzie sprzężenia zwrotnego: białka STAT indukują ekspresję genów socs, których produkty wiążą sie z fosforylowanymi kinazami JAK oraz ich receptorami, przeciwdziałając transdukcji sygnału [9,10];
  • STAM (Signal Transducing Adapter Molecule), ułatwiają aktywację transkrypcyjną niektórych genów, np. myc [12];
  • STIP (STAT-interacting Protein, WD40 protein), służą jako białka adaptorowe - zdolne do asocjacji zarówno z kinazami JAK, jak i nieufosforylowanymi białkami STAT [13];
  • SH2/Lnk/APS (Src Homology 2 / Linker of T-cell Receptor Pathways / Prostate Specific Antigen (kallikrein-related peptidase)), zawierają domenę homologiczną do plekstryny, jak również domenę SH2 i moga być substratami kinaz JAK [7].

Znaczenie kliniczne kinaz JAK


Konstytutywna i niezależna od sygnału zewnątrzkomórkowego aktywacja szlaku JAK/STAT obserwowana jest w wielu nowotworach krwi, a także chorobach autoimmunologicznych. Odpowiedzialne są za to bardzo często onkogenne allele kinaz tyrozynowych JAK [14,15,16]. Nadmierna aktywacja JAK2 jest charakterystyczna dla wielu przypadków różnych rodzajów chorób mieloproliferacyjnych i białaczek, a także mniejszej liczby guzów litych. JAK3 odgrywa natomiast znaczącą rolę w aktywacji limfocytów T, co jest charakterystyczne dla chorób autoimmunologicznych.

Onkogeny JAK3, JAK1 oraz TYK2 pojawiają się w zaburzeniach genetycznych ze znacznie mniejszą częstością niż onkogeny białka JAK2. Nie zidentyfikowano dotychczas alleli fuzyjnych dla kinazy JAK3 [3]. Natomiast sugeruje się, iż potencjalne inhibitory kinazy JAK3 mogłyby stanowić cel terapii immunosupresyjnych, mających przeciwdziałać odrzuceniu transplantowanych organów [17].

Literatura


  1. Wilks, A.F. Two putative protein-tyrosine kinases identified by application of the polymerase chain reaction. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1989, 86 (5), 1603-1607.
  2. Wilks, A.F.; Harpur, A.G.; Kurban, R.R.; Ralph, S.J.; Zürcher, G.; Ziemiecki, A. Two novel protein-tyrosine kinases, each with a second phosphotransferase-related catalytic domain, define a new class of protein kinase. Mol. Cell. Biol., 1991, 11 (4), 2057-2065.
  3. Wilks, A.F. The JAK kinases: Not just another kinase drug discovery target. Seminars in Cell & Developmental Biology, 2008, 19 (4), 319-328.
  4. Saharinen, P.; Silvennoinen, O. The Pseudokinase Domain Is Required for Suppression of Basal Activity of Jak2 and Jak3 Tyrosine Kinases and for Cytokine-inducible Activation of Signal Transduction. J. Biol. Chem., 2002, 277 (49), 47954-47963.
  5. Saharinen, P.; Vihinen, M.; Silvennoinen, O. Autoinhibition of Jak2 Tyrosine Kinase Is Dependent on Specific Regions in Its Pseudokinase Domain. Mol. Biol. Cell, 2003, 14 (4), 1448-1459.
  6. Lucet, I.S.; Fantino, E.; Styles, M.; Bamert, R.; Patel, O.; Broughton, S.E.; Walter, M.; Burns, C.J.; Treutlein, H.; Wilks, A.F.; Rossjohn, J. The structural basis of Janus kinase 2 inhibition by a potent and specific pan-Janus kinase inhibitor. Blood, 2006, 107 (1), 176-183.
  7. Rawlings, J.S.; Rosler, K.M.; Harrison, D.A. The JAK/STAT signaling pathway. J. Cell Sci., 2004, 117 (8), 1281-1283.
  8. Yamaoka, K.; Saharinen, P.; Pesu, M.; Holt, V.; Silvennoinen, O.; O'Shea, J. The Janus kinases (Jaks). Genome Biology, 2004, 5 (12), 253.
  9. Greenhalgh, C.J.; Hilton, D.J. Negative regulation of cytokine signaling. J. Leukoc. Biol., 2001, 70 (3), 348-356.
  10. Valentino, L.; Pierre, J. JAK/STAT signal transduction: Regulators and implication in hematological malignancies. Biochem. Pharmacol., 2006, 71 (6), 713-721.
  11. Schindler, C.; Plumlee, C. Inteferons pen the JAK/STAT pathway. Seminars in Cell & Developmental Biology, 2008, 19 (4), 311-318.
  12. Lohi, O.; Lehto, V.-P. STAM/EAST/Hbp adapter proteins - integrators of signalling pathways. FEBS Lett., 2001, 508 (3), 287-290.
  13. O'Shea, J.J.; Gadina, M.; Schreiber, R.D. Cytokine Signaling in 2002: New Surprises in the Jak/Stat Pathway. Cell, 2002, 109 (2), S121-S131.
  14. Levine, R.L. Janus Kinase Mutations. Semin. Oncol., 2009, 36, Supplement 1 (0), S6-S11.
  15. Jatiani, S.S.; Baker, S.J.; Silverman, L.R.; Reddy, E.P. JAK/STAT Pathways in Cytokine Signaling and Myeloproliferative Disorders: Approaches for Targeted Therapies. Genes & Cancer, 2010, 1 (10), 979-993.
  16. Chen, E.; Staudt, Louis M.; Green, Anthony R. Janus Kinase Deregulation in Leukemia and Lymphoma. Immunity, 2012, 36 (4), 529-541.
  17. Thompson, J.E. JAK Protein Kinase Inhibitors. Drug News & Perspectives, 2005, 18 (5), 305.
Osobiste