Janus 激酶/信号转导与转录激活因子信号通路在肠缺血再灌注损伤中的研究进展

杨 光，王 猛，贾骐瑄，张云杰

肠缺血再灌注（ischemia/reperfusion, I/R）损伤是临床常见的肠道病理过程[1]，可继发于多种病理条件下，如急性休克、小肠移植、肠系膜血管栓塞等情况。肠道极易发生缺血性损伤，一方面，人体血供下降时，会优先将血液供应给心、脑等器官，肠道血供减少；另一方面，绒毛尖端的肠上皮细胞位于中央小动脉的末端位置，本身氧分压较低，所以更容易发生缺血损伤[1]。由于肠绒毛中毛细血管环的特殊分布，肠道对I/R 敏感，常导致肠黏膜屏障损伤。肠道是休克中最早受损、最后恢复的器官。

缺血再灌注分为两个阶段：缺血阶段和再灌注阶段。在缺血阶段，局部细胞组织无法得到足够的氧，从而无法合成足够的三磷酸腺苷（ATP），使局部组织缺少运行所需的能量，同时，有氧代谢途径无法运行而进行无氧代谢，不仅无法提供足够的能量，而且会引起乳酸等有害物质堆积，造成器官损伤。其次，血流再灌注和再充氧过程中产生的大量活性氧（reactive oxygen species, ROS），引发氧化应激反应，进而导致肠黏膜屏障破坏、血管通透性增加、细菌易位，以及炎症介质和凋亡因子的释放[2]。肠I/R 损伤在组织学上可降低绒毛高度，增加细胞浸润，加重黏膜脱落，破坏肠黏膜屏障功能[3]。此外，肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-6、IL-1β等促炎因子被释放到血清中，可能会引发全身炎症反应综合征、多器官功能障碍综合征等[4]。

Janus 激酶/信号转导与转录激活因子（janus kinase/signaltransducersandactivatorsof transcription, JAK/STAT）信号通路与肠I/R 所致肠损伤的发生有密切的关系，通过氧化应激、中性粒细胞的聚集、肠屏障功能等影响肠I/R 损伤[5]。与其他信号通路相比，JAK-STAT 信号通路拥有相对简单与清晰的通路结构组成：首先是酪氨酸激酶受体接收信号，然后酪氨酸激酶JAK 传递信号，最后转录因子STAT 调控下游产生效应。JAK 是一类非跨膜型的酪氨酸激酶，其活化受到配体与受体的影响，当二者结合后，JAK 的活化可使自身磷酸化，此时的JAK 使下游的酪氨酸残基磷酸化，从而完成信号传递的过程。在收到JAK 磷酸化修饰后，转录因子STAT 活化，其蛋白二聚并进入细胞核结合靶基因，以此调控下游基因的转录。

1 JAK-STAT 概述

JAK-STAT 信号转导通路家族有典型和非典型两种激活途径[6]。典型激活途径中，JAK 在配体和受体结合诱导下磷酸化，结合受体在活化的JAK 影响下使自身酪氨酸磷酸化，STAT 被招募，在形成的STATs 停靠位点上对接，并在受到JAK 磷酸化后与受体分离，通过sh2 结构域-磷酸酪氨酸相互作用形成同源二聚体或异源二聚体。这些二聚体转运到靶基因启动子上，调控靶基因的转录。非典型激活途径下，未磷酸化的STAT 池的一部分位于与核中等位常染色体基因异染色质蛋白-1(HP1)相关的异染色质上。JAK 或其他激酶诱导STAT 的激活，使HP1 与异染色质分离，磷酸化的STAT 与常小体上的认知位点结合，调节基因转录。

JAK 是一类非受体酪氨酸激酶家族，已发现有4 个成员：JAK1、JAK2、JAK3 及TYK2。STAT 为JAK的底物，已发现7 个家族成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b 和STAT6，其N 端具有SH2 结构域和核定位信号（NLS），中间为DNA结合域，C 端有保守的、对其活化至关重要的酪氨酸残基。STAT 被JAK 磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内调节相关基因的表达，这条信号通路即为JAK-STAT 途径。

2 JAK-STAT 信号通路与肠I/R 损伤

2.1 炎症反应 炎症是肠I/R 损伤的主要特征之一。肠I/R 诱导的损伤有多种机制，促炎反应在其发病机制中起着重要作用。有证据表明，白细胞黏附会增加ROS 和其他促炎介质的产生[7]。白细胞活化会引起强烈的血管收缩现象，导致低灌注甚至无复流现象，微循环完全停止[8]。减少ROS 的产生和减轻促炎反应可以显著减少I/R 引起的损伤。

JAK-STAT 信号通路可以调节肠干细胞(ISCs)的增殖和肠道稳态。在炎症状态下，JAK-STAT 通路被激活以促进ISCs 的增殖和分化[9]。与此同时，损伤的肠道会产生大量ROS 并以此来诱导氧化应激，导致肠上皮损伤和ISCs 过度增殖[10]。肠I/R 损伤中，胃肠道是ROS 的主要来源，虽然有肠上皮的保护屏障，但摄入的物质和病原体可以通过激活上皮细胞、多形核中性粒细胞(PMNs)和巨噬细胞来产生炎症细胞因子，以及其他进一步促进氧化应激的介质而引起炎症[11]。JAK-STAT 信号通路的激活与胃肠道炎症和ISCs 增殖相关，这可能会加速炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）的发展[12]。通过降低炎症因子抑制JAK-STAT 信号通路，可维持炎症环境下肠道稳态。

在肠道I/R 损伤过程中，一系列趋化因子和炎症因子(如核因子-κB)的激活导致循环吞噬细胞激活，放大肠道炎症级联反应，引发全身炎症反应和远端器官损伤。JAK2-STAT3 是一种重要的免疫信号通路，其参与炎症反应并在其中起重要的作用。STAT3 受JAK2 介导的磷酸化刺激，缺血时，JAK2磷酸化增加，STAT3 磷酸化增加，炎症因子释放增加[13]。JAK2/STAT3 信号通路被激活，可增加炎症相关蛋白编码基因（如高迁移率族蛋白B1）的表达，加重缺血后炎症反应[14]。抑制P65/JAK2/STAT3 的磷酸化可减轻缺血后炎症反应。另外，有研究报道可以通过JAK2/STAT3 信号通路调控NLRP3 炎症小体，其激活与抑制可实现对炎症级联的增强与减弱[15]。

2.2 氧化应激 正常的细胞代谢会产生ROS，少量和适量的ROS 对人体不仅没有危害，还有诸多好处，如杀死入侵人体的病原体，或是促进伤口愈合，加速组织的修复等。然而，在肠I/R 过程中，脂质过氧化与炎症因子的释放产生过多的ROS，是导致再灌注后组织氧化和肠上皮细胞损伤的重要条件[16]。一方面，缺血阶段局部缺氧，合成障碍使ATP 匮乏，细胞内酸性物质堆积导致酸中毒，再灌注后血供恢复，但细胞内钙超载和ROS 生成会导致大量炎性细胞聚集，加重肠道内炎症反应和肠上皮细胞损伤[17]；另一方面，ROS 大量产生，胞内DNA、脂质和蛋白质受氧化应激反应影响大量损伤，细胞结构受到破坏，引起细胞死亡[18]。当氧气在再灌注过程中恢复时，受损细胞和组织中大量的ROS 可以攻击几乎所有的细胞内生物分子(如细胞膜、细胞器甚至DNA)，这种氧化应激通过信号转导途径破坏上皮细胞的动态稳态，从而导致大量炎症介质的释放，诱导细胞凋亡，破坏肠屏障功能，加剧再灌注后的损伤。

线粒体在细胞的有氧代谢中扮演重要角色，线粒体DNA(mtDNA)参与细胞的氧化磷酸化，维持正常的线粒体功能。mtDNA 被破坏后，ROS 的产生增加，mtDNA 释放到细胞质中诱导促炎介质和促凋亡因子的激活[19]。此外，线粒体呼吸链调节ROS 的产生。线粒体复合物I 和III 在氧化过程中通过电子泄漏产生ROS[20]。在缺血过程中，线粒体氧化应激相当温和，但在再灌注开始时，活性氧ROS 升高，在缺血后数小时和数天内更为明显[21]。

JAK-STAT 信号通路中，除STAT4 外的所有STATs 都存在于线粒体中，它们对促进氧化磷酸化和膜通透性具有重要意义，抑制其发挥作用可以减轻肠I/R 损伤过程中的氧化应激、保护肠道组织。STAT3 定位于内质网，有助于抵抗氧化应激引起的细胞凋亡[6]。STAT 信号通过JAK2 途径作用于细胞内ROS，氧化应激激活JAK/STAT 可加重肠I/R 损伤。相反，JAK/STAT 信号通路的抑制剂，如丙酮酸，不仅对氧化应激反应有抑制作用，还可以减少中性粒细胞浸润，调节微循环，抑制细胞凋亡[22]。通过抑制JAK/STAT 信号通路，可以使细胞免受缺氧缺糖/再灌注损伤(OGD/R)诱导的氧化应激、自噬和凋亡作用影响[23]，保护肠道屏障，从而减轻肠I/R 损伤。Nrf2 基因的过表达可对JAK2/STAT3 信号通路起抑制作用，通过这种方法抑制大鼠的氧化应激，同时减轻其炎症反应[24]，通过这两方面来达到减轻大鼠缺氧缺血性损伤的目的。

2.3 细胞自噬 自噬（autophagy，ATG）是细胞内物质周转的重要过程，线粒体自噬能够清除损伤及老化的线粒体，然后通过与线粒体生物合成相配合，从而对线粒体质量进行控制，最终起到调控线粒体的数量、分布及功能的作用，是选择性自噬的一种。研究认为器官I/R 中，在线粒体分裂增加的情况下，其自噬减少导致其数量平衡被打破，损伤的线粒体无法被及时清除而大量堆积，从而造成细胞损伤[21]。肠I/R 损伤过程中，缺血引发线粒体缺氧，在线粒体大量损伤的基础上，大量活性氧产生，进一步损伤线粒体的同时也使氧化应激更加严重，导致肠I/R造成的损伤进一步扩大。因此，肠I/R 过程中，通过特定途径增强自噬，从而清除受损的线粒体，可以保持线粒体的质量和数量，减轻肠道组织损伤。

JAK2/STAT3 参与自噬活动的调节，生理状态下非磷酸化的JAK2/STAT3 在机体受到外界刺激时，可在短时间内发生磷酸化转化，通过酪氨酸蛋白激酶结合位点与IL-6、TNF-α 等相应受体相结合，激活下游酪氨酸残基，发挥生物学效应[25]。因此，用JAK2 抑制剂或STAT3 siRNA 阻断STAT3 磷酸化，对抑制JAK2/STAT3 信号通路，降低肠黏膜上皮细胞凋亡水平，增强自噬，保护肠黏膜屏障，减轻肠I/R 中肠道组织损伤有积极意义。此外，还有研究显示，IL-6 激活JAK 激酶，通过JAK-STAT 信号通路，在I/R 前以剂量依赖方式增强体外自噬，而不影响其他激酶途径[26]。

2.4 巨噬细胞极化 巨噬细胞是先天免疫反应的重要成员，与组织的炎症反应程度有很大关联，同样在肠I/R 损伤进展中发挥着重要作用。巨噬细胞可以表现出一系列不同的激活表型，以响应不同的微环境或外源性刺激。巨噬细胞极化并不是巨噬细胞的一种长期状态，而是巨噬细胞在某一时间点的激活状态。

当巨噬细胞暴露于入侵细胞的病原体或细菌时，它们通常极化为M1 表型(经典激活表型)。M1 巨噬细胞通常出现在由toll 样受体(TLR) 或干扰素(IFN)信号通路控制的促炎环境中，因此表达出促炎作用，通过分泌促炎细胞因子和一氧化氮(NO)抑制细胞增殖并引起组织损伤[27]，在肠I/R 进程中，M1表型可加重肠道炎症反应，破坏肠黏膜屏障，损伤肠道组织。M2 巨噬细胞是另一种激活表型，存在于T2 反应主导的环境中，由IL-4 或IL-13 诱导[28]。M2巨噬细胞表达高水平的精氨酸酶1(arginase-1，Arg-1)，它催化鸟氨酸的产生。鸟氨酸是细胞产生多胺的直接底物，是M2 巨噬细胞完成胶原合成、增殖、组织重塑等功能所必需的[29]。这些细胞促进细胞增殖、组织修复、血管生成和吞噬作用，以降低炎症反应并在炎症事件后“清理”，在肠I/R 损伤过程中，能够保护肠黏膜屏障，降低炎症反应造成的破坏，减轻肠道组织损伤。

经典激活(M1)巨噬细胞分泌促炎因子，并表现出增强的杀微生物活性和高抗原呈递能力[30]。这些特征是由IFN-γ 介导的JAK/STAT 信号促进的。IFN-γ 是激活JAK-STAT 信号通路的关键[31]。STAT1 是M1 巨噬细胞极化的重要中介，其活性对M1 极化至关重要[32]。M1 巨噬细胞极化的另一个关键机制是核因子-κB (NF-κB)信号通路。巨噬细胞细胞膜上TLR 的激活启动了下游级联，激活NF-κB通路，并促进促炎介质的后续释放[33]。

肠I/R 损伤激活JAK2/STAT3 通路，通路的激活进一步加重肠道损伤，破坏肠道环境，损伤肠黏膜屏障，抑制其通路可减轻肠道损伤。肠I/R 过程中，JAK2/STAT3 通路诱导巨噬细胞向M1 极化。抑制JAK2/STAT3 通路可诱导巨噬细胞M2 极化，减轻Caco-2 细胞的OGD/R 损伤[34]。促进巨噬细胞由M1 向M2 表型的转变，可发挥抗炎作用，降低肠道炎症对肠黏膜屏障的破坏，保护肠道组织，对减轻肠I/R 损伤具有重要作用。巨噬细胞中IL-6/STAT3信号通路的激活在巨噬细胞产生趋化因子中起着关键作用，并参与M1/M2 巨噬细胞极化。此外，STAT3 的磷酸化是与巨噬细胞激活状态相关的关键事件[35]。

3 结论与展望

肠I/R 损伤是临床常见的病理改变，JAK/STAT信号通路在肠I/R 损伤中发挥重要作用。通过JAK/STAT 信号通路调节炎症反应、氧化应激、细胞自噬及巨噬细胞极化等，对减轻肠I/R 损伤有积极意义。JAK/STAT 信号通路调控肠道I/R 损伤的作用机制尚未完全阐明，深入研究有助于更好地了解肠I/R损伤的病理过程，以期为靶向药物治疗的研究提供分子学基础。