JAK-STAT信号通路
1957年，Isaacs和Lindenmann确定干扰素为细胞因子家族的初始成员。在接下来的几十年中，其他几种细胞因子被陆续发现。重组干扰素的发现为研究细胞因子如何诱导基因表达提供了可能，随后通过一系列研究，人们在JAK-STAT信号通路中发现了7个STAT家族成员和4个JAK家族成员。
JAK家族成员Jak1、Jak2、Jak3和Tyk2最初被鉴定为孤立酪氨酸激酶，除了Jak3的表达仅限于白细胞外，其余均为广泛表达。JAK的分子质量从120kD到140 kD，具有7个保守的JAK同源性（JH）结构域/双羧基末端JH区域和假激酶域。其与其他酪氨酸激酶一样，由“失活环”中酪氨酸激酶磷酸化驱动的JH4发生活化，并与其受体结合后进一步调控细胞信号通路的转导。受体包括两个高度保守的结构，一个是富含脯氨酸的box1，另一个是靠近细胞膜处的box2，它们是决定细胞因子受体与JAK激酶相互偶联的重要结构。在Tyk2缺乏的情况下，人体对IFN-1、IL-6表现出联合免疫缺陷，而IL-10、IL-12和IL-23与过敏反应的增强有关，并导致抗炎反应受损。相比之下，Tyk2基因敲除小鼠表现出较轻的免疫缺陷，这表明小鼠体内的Tyk2更多的是作为一种免疫反应放大器发挥作用。然而，与人类一样，Tyk2缺陷小鼠表现出对2型糖尿病免疫反应增强的倾向。
Jak1最初在新激酶的筛选过程中被偶然发现，生物化学和遗传学研究已经揭示了其具有遗传性。它有1型和2型两种分型，每种分型都有2个IFN-α/β受体链，即IFNAR1和IFNAR2。有研究发现Jak1基因敲除小鼠的LIF（IL-6家族成员）受体信号转导发生缺陷，导致小鼠在围产期死亡。
有关Jak2的最初研究发现其参与调控单链受体（Epo-R、GH-R、Prl-R）、IL-3家族受体（IL-3R、IL-5R和GM-CSFR），以及IFN受体之间的相互作用。对Jak2基因敲除小鼠的研究发现，Jak2在红细胞生成中发挥关键作用；另外，对该小鼠的研究再次证明，Jak2调控单链受体、IL-3家族受体和IFN受体，并引导家族成员之间发生作用。有研究发现，Jak2基因突变会导致骨髓增生性疾病的发生。
Jak3具有白细胞特异性，其仅与IL-2受体链（C）发生反应。该链可作用于细胞因子受体γ链（γc）家族，包括IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21。Jak3在淋巴活动中起重要作用，如果Jak3基因发生突变，会导致联合免疫缺陷相关疾病的发生。有趣的是，Jak3基因敲除小鼠产生了类似的但不太严重的免疫缺陷综合征，究其原因可能是Jak3是淋巴细胞中一个重要的药物靶点。
哺乳动物STAT家族包括7个成员，即STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6，其分子质量为750～900kD。它们具有几个相对保守的结构域，尤其是SH2结构域。在静息细胞中，STATs主要存在于细胞质内，其形式为不活跃的同型二聚体。但是，一旦被受体相关JAK激活，其与配体随即发生结合，导致特定受体酪氨酸残基的磷酸化。这些磷酸化酪氨酸残基会引导特异性STAT的SH2结构域发生依赖性招募，从而成为JAK的底物。活化状态是当其重新从受体中释放为二聚体时，其中一个STAT的SH2结构域结合另一个STAT激活的STAT二聚体的磷酸化酪氨酸，随后发生易位，并与细胞核特定增强子元件结合。同型二聚体与GAS增强子家族结合（回文结构，TTTCNGGAAA），相反，干扰素（IFN）促进STAT1-STAT2异二聚体的形成及与IRF-9（干扰素调节因子）的结合，其形成ISGF-3并与ISRE增强子家族结合（直接重复，AGTTTN3TTCC）。通过对STAT的结构、遗传和生化功能的研究，人们已经发现了7个保守的STAT结构域，包括氨基末端（NH2）结构域、螺旋线圈结构域、DNA结合结构域，连接子（Lk）结构域、SH2结构域、酪氨酸激活（Y）结构域和C端的转录活性区（transcriptional activation domain，TAD）。NH2结构域（氨基酸残基1～125）是STAT结构中独立的部分，其指导非活性STATs的同型二聚化，亦与DNA合成有关。相邻的螺旋线圈结构域（氨基酸残基135～315）由一个突出的四螺旋束组成，其从核心结构域横向旋转约80°。该结构域提供一个大的亲水表面受体。DNA结合结构域（氨基酸残基320～480）由结合的桶状免疫球蛋白发生折叠而形成，具有纳摩尔亲和力的增强子家族。相邻的连接子结构域确保DNA结合结构域与二聚体结构域之间相互连接。SH2结构域（氨基酸残基575～680）在受体募集和二聚化中起重要作用，其是保守度最高的结构域。酪氨酸激活结构域（氨基酸残基700）位于SH2结构域附近，排除自身分子内缔合，STAT家族成员的羧基末端是高度变异的，这种变异为其提供了一个与不同转录调节因子发生结合的机会。
STAT1最初被发现是ISGF-3的组成部分之一，而ISGF-3是与ISRE发生结合的促炎因子。随后的部分研究发现，GAF-IFN是一种刺激性气体结合转录因子，由STAT1同源二聚体表达。基因靶向研究证实1型和2型IFN在调控STAT1信号通路中发挥关键作用。与此一致，STAT1基因发生突变后，人体对病毒和细菌的易感性增加。有趣的是，STAT1基因似乎可以促进炎症反应。这与STAT3的抗炎作用形成鲜明对比。因此，如果细胞因子（例如IFN-1和IL-6家族的成员）可以同时激活STAT1和STAT3，那么抗炎作用与促炎作用可能实现平衡。
STAT2最初被发现在1型糖尿病的生物反应中发挥关键作用，参与调节IFN-1自分泌。STAT2仍然是最神秘的家族成员。它的分子质量最大（人类为850 kD，鼠为925 kD），多以无活性的同源二聚体形式存在。
STAT3最初被鉴定为IL-6依赖型促进急性期基因表达的转录因子。其参与调控整个IL-6家族（IL-6、IL-11、IL-31、LIF、CNTF、CLC/CLF、NP、CT1、OSM）和IL-10家族（IL-10、IL-19、IL-20、IL-22、IL-24、IL-26）的表达。另外，其还参与调控瘦素、IL-21和IL-27等的表达。进一步的研究发现，STAT3可被多种生长因子和原癌基因激活，其有一个重要特性是与肿瘤的形成有关。STAT3在许多肿瘤（如头颈部肿瘤、胸腺瘤、多发性骨髓瘤、结直肠肿瘤和血液系统恶性肿瘤）中有表达。与此一致的是，STAT3参与抗凋亡基因的灭活和促生存基因的活化。此外，STAT3等位基因的表达可促进细胞之间的转化。其相应的反义寡核苷酸、RNA干扰和基因消融等研究发现，STAT3在肿瘤发生中发挥重要的作用。另外，有研究发现STAT3可能具有强大的抗炎活性。最近有研究表明，STAT3可通过非常规途径促进肿瘤生长，即在缺乏酪氨酸磷酸化的情况下与DNA发生结合。(https://www.daowen.com)
STAT4在调控机体对IL-12和IL-2的生物反应中发挥作用。值得注意的是，IL-12可将原始CD4淋巴细胞的STAT4依赖性极化诱导至Th1细胞。另外，STAT4在IL-12依赖性NK细胞的活化中亦发挥类似诱导作用。有研究发现，STAT4调控免疫活动中酪氨酸激酶和丝氨酸激酶的磷酸化。STAT4已被证明可调控Th17细胞的IL-23依赖性扩增及其相关基因的表达。
STAT5包括由两个串联基因编码的STAT5a和STAT5b。生化和遗传学研究强调了STAT5a和STAT5b在调控IL-3家族（IL-3、IL-5和GM-CSF）和单链家族（如GH、Prl、Tpo和Epo）的功能中发挥重要作用。它们之间存在广泛的序列相似性（96％相似），因此它们的大部分功能相似，但是最近有关STAT5b基因的靶向研究揭示了STAT5b在红细胞生成和淋巴细胞生成中具有重要作用。
STAT6在调控IL-4和IL-13的信号转导中发挥重要作用，STAT6可与许多转录调节因子相互作用。研究已证实STAT6在IL-4/IL-13依赖性极化原始CD4淋巴细胞向Th2细胞的分化中起关键作用，另外，其对肥大细胞的激活亦发挥重要作用。这些研究强调了STAT6在促进B细胞凋亡方面的重要作用，包括促进MHC-2和IgE的表达。
JAK-STAT信号通路的一个特征是其活化过程表现为启动的即时性和衰变的突然性，由此导致已激活信号分子在细胞核中迅速积累。在数小时后，信号会突然发生衰减，STAT被重新转运回细胞质，用于下一轮信号传递，这种衰变导致JAK表达水平的下调及STAT转录活性的降低。STAT信号衰减的三个机制包括去磷酸化、核输出和SOCS（细胞因子信号抑制剂）反馈抑制。在这三个机制中磷酸酶的调节在激酶的信号级联作用中起着重要作用。遗传学和生物学研究表明，SHP-1、SHP-2和CD45三种磷酸酶参与了这一过程。其他研究亦发现PTP-1B、TC-PTP和PTP-BL同样在该过程中发挥作用。
SOCS可直接抑制STAT的活性，其是STAT的靶向结合基因，二者可产生一个经典的反馈回路。有研究发现IFN-STAT1、IL-12-STAT4、IL-4-STAT6、GH-STAT5和IL-6-STAT3在SOCS-1、SOCS-2和SOCS-3的反馈抑制过程中发挥作用。除了典型的酪氨酸激酶磷酸化之外，STAT还经历了其他共价修饰，包括丝氨酸磷酸化、乙酰化、R-甲基化、甲酰化和O-糖基化。其中R-甲基化和甲酰化的作用有待进一步研究。所有STAT（除STAT2外）在发生共价修饰时至少有一个丝氨酸残基会磷酸化。其磷酸化位点包括PMSP基序、PSP基序（STAT5a Ser725；STAT5b Ser730）和SSPD基序（STAT Ser756）。STAT1和STAT5在共价修饰中还会保留另外一个丝氨酸磷酸化位点，分别为Ser708和Ser779。目前已通过使用激酶抑制剂、显示阴性等位基因和体外激酶刺激等方法进行STAT丝氨酸激酶的分析。而众多研究所涉及的激酶，包括p38 MAPK、MAPK1、MAPK3、MAPK4、ERK、JNK、PKC、mTOR、NLK、CaMK2和IKK，由于它们的作用只能通过基因敲除及使用抑制剂等方法进行验证，因而缺少在亚细胞水平的研究。亚细胞水平的定位会增加共价修饰的特异性，比如干扰素的丝氨酸磷酸化激活STAT1，并导致后者发生二聚体化，而该过程只发生在细胞核中。在STAT1 S727A突变体介导的IFN先天性缺陷的研究中发现，STAT丝氨酸磷酸化在转录调节过程中发挥主要作用。还有研究发现STAT3 S727A纯合（SA/SA）小鼠靶向调控基因的表达水平降低50％，且没有显性表型差异。相比之下，STAT3 S727A杂合子小鼠的围产期死亡率（75％）明显增高，小鼠发生发育迟缓和生理缺陷的概率明显增高。同样，在STAT4 S721A突变小鼠中，IL-12诱导的T细胞受损增加。IL-1R或TNF-α刺激后，STAT1的Ser727位点发生磷酸化，在该过程中，酪氨酸激酶未发生磷酸化，而丝氨酸发生磷酸化，从而导致STAT1具备生物活性。与此相一致的是，在STAT1和STAT3突变体中酪氨酸激酶发生磷酸化，进而导致其不具备转录功能，发生缺陷。然而，这些突变体可通过抑制其他转录因子（如NF-κB）来进一步调节基因转录过程。研究表明，依赖STAT1的凋亡蛋白激活时，Ser727位点发生磷酸化，但酪氨酸乙酰化不参与该过程。STAT1和STAT3乙酰化可调控NF-κB的信号转导过程，使促凋亡基因的表达增高。另外，STAT3乙酰化能调节转录因子活性和同型二聚体稳定性。
STAT5 Thr92的O-糖基化与共激活因子CBP的亲和力增加有关。STAT1中存在O-糖基化位点，该位点最初是在对天然药物的分析中确定的，主要存在于STAT1剪接变异体中。该变异体与STAT1相比，羧基末端缺少39个氨基酸，存在形式为同源二聚体，不具备转录活性，必须与Gal4 DNA结合结构域发生结合才具备转录活性。众多TAD含有保守的丝氨酸募集的磷酸化位点，例如CBP或MCM（微小染色体）复合物。STAT TAD具有蛋白质稳定性，可作为泛素化靶向目标，缺乏TAD的选择性剪接STAT蛋白仍可通过与具备TAD伴侣之间的相互作用发生转录。例如，STAT3可以通过招募c-Jun作为协同转录因子来促进基因表达。STAT3与c-Jun的相互作用在肝脏中可通过诱导基因来进行表达，此作用还与Fas启动子的转录抑制有关，该领域在未来有望成为一个热门领域。
STAT2亦可通过结合PCAF和GCN5两种组蛋白乙酰转移酶（HATs）来招募染色质修饰酶。HATs本身具有STAT转录活性，比如STAT3和STAT5的TAD。基因特异性BAF在IFN-1应答中发挥至关重要的作用，究其原因是BAF亚族与STAT2发生相互作用，而此作用是大多数IFN-1诱导基因激活所必需的。有研究发现STAT对靶向基因的调节具有差异性，比如PIAS1主要针对具有较弱亲和力STAT结合位点的启动子、IKK依赖的丝氨酸磷酸化调控ISGF-3结合位点与STAT的亲和力。