Lek. med. Joanna KRYWEJKO

Katedra i Klinika Reumatologii i Chorób Wewnętrznych UM we Wrocławiu

Układ Jak/Stat w patogenezie

artropatii zapalnych

Zainteresowanie badaczy wzbudzają białka wewnątrzkomórkowego układu przekaźnikowego Jak/Stat, które stają się potencjalnymi czynnikami terapeutycznymi w chorobach reumatycznych.

Poznanie funkcjonowania komórek na poziomie molekularnym oraz trwające badania nad patomechanizmem chorób reumatycznych pozwoliły na wyprodukowanie nowych substancji blokujących działanie określonych białek zewnątrzkomórkowych, mających znaczenie w patogenezie tych chorób. Do tych substancji należą przeciwciała skierowane przeciwko czynnikom prozapalnym, takim jak TNF-a, IL-1 i IL-6, przeciwciała przeciwko cząsteczce CD20 limfocytów B, których blokada wywołuje apoptozę komórki, czy też przeciwciała hamujące kostymulację cząsteczek CD80 i CD86 komórek prezentujących antygen z cząsteczką CD28 limfocytów T. Leki te stosowane są przede wszystkim w terapii artropatii zapalnych, choć podejmowane są próby wykorzystania tych cząsteczek w leczeniu ziarniniaka Wegenera i tocznia układowego. 

Kolejnymi cząsteczkami, tym razem wewnątrzkomórkowymi, które wzbudzają zainteresowanie badaczy i stają się potencjalnymi czynnikami terapeutycznymi, są białka wewnątrzkomórkowego układu przekaźnikowego Jak/Stat (Janus kinase/signal transducer and activator of transcription).

Układ przekaźnikowy Jak/Stat jest układem białek wewnątrzkomórkowych wykorzystywanych przez wiele cytokin i czynników wzrostu do ekspresji genów, przez które dokonuje się proces aktywacji, proliferacji i różnicowania komórek. Receptory tych związków nie posiadają aktywności enzymatycznej i współdziałają z rodziną białek cytoplazmatycznych o właściwościach kinaz.

Połączenie liganda z receptorem błonowym aktywuje związaną z nim kinazę tyrozynową, która ulega autofosforylacji, a następnie fosforyluje zwrotnie cytoplazmatyczne domeny receptora. Do aktywnych domen receptora przyłączają się białka Stat, które po procesie dimeryzacji zostają odłączone od receptora i przemieszczone do jądra komórkowego, gdzie wiążąc się z DNA odpowiedniego miejsca genu promotorowego, aktywują proces transkrypcji genów.

Kinaza tyrozynowa Janus 3

Kinaza tyrozynowa Janus 3 (Jak3) należy do grupy enzymów wewnątrzkomórkowych, do której zaliczane są także kinaza Jak1, Jak2 i Tyk2. Enzymy te zbudowane są z dwóch domen katalitycznych, które aktywują się przez wzajemną fosforylację. Kinazy te aktywowane są przez wiele cytokin i czynników wzrostu za pośrednictwem różnych receptorów. Kinaza tyrozynowa Jak3 jest aktywowana za pośrednictwem receptora transbłonowego gc przez IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15 i IL-21. Te cytokiny łączą się także z innymi receptorami, natomiast pobudzają kinazę Jak3 tylko za pośrednictwem łańcucha gamma. Efekt biologiczny wywołany przez ww. interleukiny za pośrednictwem układu Jak3/Stat przedstawia tabela 1.

Zaobserwowano, że kinaza tyrozynowa Jak3 ulega ekspresji konstytutywnej na wysokim poziomie w komórkach NK oraz w tymocytach. Może natomiast ulegać ekspresji indukcyjnej w limfocytach B, limfocytach T i komórkach szpiku kostnego. Gen kinazy Jak3 zlokalizowano w miejscu p13.2 chromosomu 19.

Kinaza tyrozynowa Jak3 i SCID

Zaobserwowano, że utrata funkcji poszczególnych kinaz tyrozynowych u myszy skutkuje powstaniem ciężkich uszkodzeń organizmu i często jest letalna. Delecja kinazy Jak1 powoduje poważne uszkodzenia neurologiczne i ciężki złożony zespół niedoboru odporności (SCID, severe combined immunodeficiency). Utrata funkcji kinazy Jak2 skutkuje między innymi wystąpieniem nieprawidłowości erytropoezy oraz śmiertelnością w życiu płodowym, a utrata genu kinazy Tyk2 powoduje zmniejszoną wrażliwość organizmu na infekcje wirusowe oraz oporność na wywołanie indukowanego zapalenia stawów. Natomiast delecja genu kinazy tyrozynowej Jak3 u ludzi nie jest letalna i skutkuje powstaniem ciężkiego złożonego zespołu niedoboru odporności (SCID), dziedziczonego autoso- malnie dominująco. Powstaje fenotyp T-B+NK-. SCID jest zespołem ciężkich złożonych zaburzeń odporności, który manifestuje się częstą zapadalnością na ciężkie infekcje, nierzadko oportunistyczne i przez to jest przyczyną śmierci w pierwszych latach życia. Skuteczną metodą leczenia tych zaburzeń jest przeszczep szpiku kostnego. Myszy o fenotypie Jak3^–/– wykazują głębokie niedobory komórek progenitorowych grasicy i mniejszą zdolność odtwarzania rozwoju komórek T oraz poważnie zmniejszoną liczbę obwodowych limfocytów CD8+ i komórek NK.

Podobny fenotyp SCID jak w przypadku delecji genu Jak3 (T-B+NK-), tylko dziedziczony w sposób sprzężony z chromosomem X, powstaje, gdy dochodzi do delecji genu receptora gc. W obydwu przypadkach z powodu braku regulującej funkcji komórek T dochodzi do upośledzenia aktywacji komórek B i zaburzenia produkcji przeciwciał, co klinicznie objawia się hipogammaglobulinemią i zaburzonym wytwarzaniem przeciwciał w odpowiedzi na immunizację. Okazuje się, że Jak3 jest niezbędny do zależnego od receptora gc rozwoju limfocytów B i T i do zapobiegania gc-zależnej apoptozie tymocytów.

Wyniki badań prowadzonych na modelach zwierzęcych wskazują, że kinaza Jak3 przynajmniej w części reguluje limfopoezę przez wybiórczą regulację ekspresji białek Bax i Bcl-2. Są one czynnikami regulującymi apoptozę. Białko Bax działa proapoptotycznie, natomiast białko Bcl-2 – antyapoptotycznie. Tymocyty oraz obwodowe limfocyty T pozbawione Jak3 wykazywały wysoką ekspresję Bax i zredukowane poziomy Bcl-2 w stosunku do osobników dzikich, co oznacza wysoką podatność tych komórek na apoptozę. U osobników pozbawionych Jak3 dochodziło do zaniku obwodowych limfocytów T i nieprawidłowego stosunku pomiędzy komórkami CD4+ i CD8+. Te dane wskazują, że kinaza Jak3 reguluje przetrwanie komórek przez regulację pro- i antyapoptotycznych białek Bax i Bcl-2.

Białka Stat

Białka Stat należą do grupy latentnych, cytoplazmatycznych białek transkrypcyjnych, które po aktywacji są transportowane do jądra komórkowego, gdzie łączą się z określoną sekwencją DNA i powodują aktywację transkrypcji genów. Obecnie znanych jest 7 homologicznych białek Stat: Stat1, Stat2, Stat3, Stat4, Stat5a, Stat5b, Stat6. Cząsteczki Stat5a i Stat5b są kodowane przez geny zlokalizowane na różnych chromosomach. Białka te występują w różnych typach komórek. Poszczególne typy Stat zazwyczaj są aktywowane przez kilka różnych cytokin, ale cytokiny najczęściej wykorzystują preferencyjnie jeden konkretny układ przekaźnikowy Jak/Stat. I tak np. IFN-a i IFN-b działają za pośrednictwem Stat2, a IL-4 i IL-13 – za pośrednictwem Stat6. Chociaż określony układ przekaźnikowy Jak/Stat zazwyczaj jest aktywowany przez wiele różnych cytokin, które mogą aktywować różne układy Jak/Stat, to specyficzność reakcji na odpowiednią cytokinę jest zachowana dzięki regulacji przekazywania sygnału przez inne białka Stat. Zauważono, że określona kinaza tyrozynowa Jak po aktywacji odpowiednią cząsteczką sygnałową aktywuje wybrane cząsteczki Stat, co przedstawia tabela 2.

Naturalne inhibitory układu Jak/Stat

Opierając się na obserwacjach dotyczących patogenezy SCID, można mniemać, że blokada funkcji kinazy Jak3 może stanowić obiecujący element terapii chorób o podłożu autoimmunologicznym. Wydaje się, że zablokowanie aktywności Jak3 może skutkować zmniejszeniem odpowiedzi zapalnej i uzyskaniem wycofania objawów choroby. To byłoby możliwe przez zastosowanie sztucznie zsyntetyzowanych inhibitorów Jak3 bądź przez aktywację ekspresji lub aktywności naturalnych inhibitorów układu Jak/Stat. Do tej grupy białek należą białka SOCS (suppressors of cytokine signaling), PIAS (protein inhibitors of activated Stats) i fosfatazy tyrozynowe (PTP, tyrosine phosphatases), które hamują działanie układu Jak/Stat na różnych poziomach. Białka SOCS są klasycznymi zwrotnymi inhibitorami sygnalizacji. Ich ekspresja zachodzi po aktywacji układu Jak/Stat. Zapobiegają one procesowi sygnałowania przez hamowanie aktywności Jak3, zapobieganie rekrutacji cząsteczek sygnalizacyjnych do receptora cytokinowego oraz promocję degradacji receptorów cytokinowych i kinaz Jak. Białka PIAS są inhibitorami aktywacji Stat. Cząsteczki te, wiążąc się z monomerami Stat, zapobiegają ich dimeryzacji i fosforylacji i przez to aktywacji oraz ekspresji określonych genów. Natomiast fosfatazy tyrozynowe są enzymami osłabiającymi sygnalizację cytokinową przez defosforylację receptorów cytokinowych, kinaz tyrozynowych Jak i cząsteczek Stat.

Rola kinazy tyrozynowej Jak3 w artropatiach zapalnych

Na podstawie wyników dotychczas przeprowadzonych badań wydaje się, że regulacja układu Jak/Stat u chorych na choroby autoimmunologiczne może być jednym ze sposobów terapii.

W badaniach przeprowadzonych przez Walker i wsp. u chorych na reumatoidalne zapalenie stawów (RZS) oraz spondyloartropatie zapalne (SpaZ) i chorobę zwyrodnieniową stawów wykazano wzrost ekspresji Jak3 w komórkach błony maziowej u tychże chorych w porównaniu z kontrolną grupą osób zdrowych. Wykazano, że ekspresja kinazy była istotnie większa u chorych na artropatie zapalne niż u chorych na osteoartrozę. Ekspresję Jak3 wykazywały synowiocyty, komórki CD45+ (marker wszystkich leukocytów) i CD68+ (marker makrofagów).

W innym badaniu ten zespół badaczy analizował zmiany w ekspresji białek układu Jak/Stat chorych w odpowiedzi na stosowane leczenie modyfikujące. Ekspresję kinazy Jak3 wykazywały komórki dendrytyczne CD1+ oraz makrofagi CD68+. W badaniu tym wykazano brak istotnych zmian w ekspresji kinazy Jak3 w komórkach błony maziowej u chorych, którzy uzyskali odpowiedź kliniczną na leczenie DMARD. Natomiast obserwowano u tych chorych zanik komórek dendrytycznych o wysokiej ekspresji Jak3, co wskazywałoby na istotną rolę Jak3 w funkcjonowaniu tych komórek i w patogenezie choroby.

Kolejne badania Walker i wsp. wykazały, że komórkami o dużej ekspresji Jak3 w błonie maziowej chorych na RZS są dojrzewające i dojrzałe komórki dendrytyczne produkujące IL-12, jak również IFN-a i IFN-b, czyli komórki mające kluczową rolę w inicjacji procesu zapalnego. Obserwowano także wysoką ekspresję Jak3 w fibroblastach błony maziowej.

W związku z obiecującymi wynikami badań skonstruowano wybiórczy inhibitor kinazy Jak3, nazwano go cząsteczką CP-690550. Badania prowadzone na modelach zwierzęcych wykazały, że inhibicja Jak3 przy udziale tego związku u szczurów, u których wywołano zapalenie stawów indukowane kolagenem (CIA, collagen-induced arthritis) oraz adjuwantowe zapalenie stawów (AA, adjuvant-induced arthritis), prowadzi do znaczącego zmniejszenia stężenia IL-6 w surowicy krwi oraz klinicznych objawów choroby, m.in. zmniejszenia obrzęku stawów, oraz redukuje zmiany strukturalne tkanek stawowych zajętych przez proces zapalny, np. nadżerki kostne. Powyższe dane sugerują, że modyfikacja aktywności kinazy tyrozynowej Jak3 może mieć znaczenie terapeutyczne w artropatiach zapalnych. Najnowsze doniesienia informują o obiecujących wynikach prowadzonych badań klinicznych z użyciem specyficznego inhibitora Jak3 u chorych na RZS i u chorych po przeszczepie nerki.

Rola białka Stat3 w patogenezie zapalenia stawów

Białko Stat3 jest aktywowane przez wiele czynników i ulega aktywacji w wielu typach komórek, w związku z czym jego funkcje są szczególnie różnorodne. Cząsteczka Stat3 jest aktywowana za pośrednictwem kinazy przez IL-10, GH, cytokiny gp130 (IL-6, IL-11, IL-12, OSM, CNTF, LIF, CT-1, leptynę).

Na podstawie doświadczalnie wywołanej dysfunkcji Stat3 uzyskano dane o jego roli w poszczególnych komórkach, co przedstawia tabela 3.

Stat3 przypisywana jest także zdolność stymulacji limfocytów T i produkcji przeciwciał, co jest jednym z kluczowych aspektów w patogenezie autoimmunologicznego zapalenia stawów. Białko to bierze udział w zahamowaniu apoptozy oraz wzmożeniu proliferacji limfocytów T, a poprzez modyfikację funkcji komórek progenitorowych szpiku kostnego hamuje granulopoezę.

Wiele przesłanek wskazuje na prozapalny mechanizm działania Stat3 w RZS. Białko to jest aktywowane przez liczne cytokiny i czynniki wzrostu, których obecność stwierdzono w reumatoidalnej błonie maziowej, są to IL-6, onkostatyna M, EGF, PDGF. Zaobserwowano, że mutacja receptora IL-6, powodująca nadreaktywność czynnika Stat3, warunkuje rozwój zapalenia stawów, a zablokowanie receptora dla IL-6 hamuje ten proces. Główna rola Stat3 w patogenezie zapalenia stawów polega na jego działaniu antyapoptotycznym i stymulującym wzrost synowiocytów. Mechanizm tego działania polega na podtrzymaniu ekspresji onkogenu myc i supresji apoptotycznego sygnału modulowanego przez EGF i inne czynniki. W następstwie tego synowiocyty wykazują patologiczny fenotyp, który charakteryzuje się wzmożoną zdolnością proliferacji, opornością na apoptozę i inwazyjnością w stosunku do sąsiednich tkanek oraz ekspresją EGF i PDGF.

Czynnik transkrypcyjny Stat3 poprzez zwiększenie ekspresji antyapoptotycznej rodziny białek Bcl oraz protoonkogenów myc i pim-1 oraz hamowanie ekspresji białka Fas uczestniczy także w transformacji nowotworowej. Być może właśnie to białko przekaźnikowe posiada kluczową rolę w powstawaniu łuszczki, którą cechują niektóre właściwości tkanki nowotworowej, takie jak autonomiczny rozrost komórek, brak hamowania kontaktowego i nowotworzenie naczyń.

Wykazano również, że pośrednictwo Stat3 w działaniu IL-6 jest niezbędne do zmniejszenia ekspresji transkrypcyjnego białka Foxp3 przez tę cytokinę. To sugerowałoby, że poprzez hamowanie ekspresji białka Foxp3 i związaną z tym supresję limfocytów Treg Stat3 może wzmagać procesy immunologiczne i pełnić rolę prozapalną.

Wydaje się więc, że dokładne poznanie funkcjonowania układu białek przekaźnikowych Jak/Stat na poziomie molekularnym i poszczególnych układów organizmu może przyczynić się do powstania nowej klasy leków immunosupresyjnych. Dotyczy to szczególnie funkcji kinazy tyrozynowej Jak3 i czynnika transkrypcyjnego Stat3.

„Przegląd Reumatologiczny” 2009, nr 5 (28), s. 1-2.