JAK-STAT通路主要由4个部分组成:(1)胞外信号因子;(2)受体;(3)JAK激酶;(4)信号转导及转录激活蛋白(STAT)。JAK-STAT是除了第二信使系统外最重要的信号途径。胞外信号:包括干扰素、白细胞介素、生长因子等等,总共有超过60种细胞因子参与JAK/STAT信号传导。受体:JAK-STAT通路相关受体的共同特点是受体本身不具有激酶活性,而是通过胞内结构域与JAK激酶结合,进一步激活下游的STATs,以实现信号从胞外到胞内再到细胞核的转递。JAK激酶:JAK激酶家族的蛋白共有4个,包括JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。JAK激酶主要由4个结构域组成,包括N端FERM与SH2样(Src Homology 2)结构域,一起构成主要的受体结合部分。其次是假性激酶结构域JH2(JAK Homology 2)和C端酪氨酸激酶结构域JH1(JAK Homology 1 )。JH2是JAK的最典型特征之一,在其它激酶中较少出现。它与经典的蛋白激酶具有序列同源性,但缺少了关键的催化残基。JH2在没有细胞因子刺激的情况下,能够抑制JAK活性,而在细胞因子诱导时具有激活、调控信号传导的作用。JH2是引起免疫和肿瘤疾病的突变突变区域。最典型的例子就是JAK2 V617F突变,是导致骨髓增生性肿瘤(MPN)发生的主要因素。大部分激酶小分子抑制剂均作用于JH1激酶结构域,最大的问题就是选择性较低。而由于JH2在不同的JAK家族中差异大,BMS作用于JH2的小分子抑制剂的选择性是迄今为止最好的。Domain structure of JAK2 protein and model of its activation不同的受体结合选择不同的JAK蛋白。其选择特异性也各不相同。比如IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21等通过共用的γ-链(γ-chain,γc),只特异性地结合JAK3,来传递信号。其它的受体亚基能够通过与不同的JAK结合来传递信号,如gp130亚基能够结合JAK1、JAK2和TYK2。进一层的选择性则由受体亚基的配对来决定,如γc受体亚基只与JAK1结合的受体亚基选择配对。JAK2相关的生长因子和激素类细胞因子受体则具有独特的自配对属性。从功能获得性(gain of function)表达或突变分析来看,JAK1、JAK3及TYK2更多与免疫调节有关,JAK2则与红细胞和血小板的异常增多引起的血液癌症直接相关。Impact of inhibiting various JAKs on signaling by different cytokines信号转导及转录激活蛋白STAT:人体中有7种STAT基因,即STAT1、2、3、4、5A、5B、6。JAK激酶通过结合受体感受胞外的信号,并将信息传送到STATs。磷酸化的STATs能够从胞内转移到细胞核,而每种不同的STAT结合到各不相同的启动子DNA序列上。启动子会控制其DNA序列表达,引起DNA转录与活性水平发生改变,进而影响细胞生长、分化及死亡等基本细胞功能。不同的STAT主管的功能既有重复又不尽相同。如STAT1主要与IFNγ介导的病毒和癌症免疫直接相关。靶向JAK的药物开发如火如荼,而靶向STAT的进展却是雷声大,雨点无,迄今还不见结果,而在不久的将来也还没有见到曙光。Overview of JAK–STAT signaling in host defense and cellular homeostasis炎性或自身免疫性疾病与JAK小分子激酶抑制剂的开发
炎性疾病和自身免疫性疾病是慢性疾病,其发病受到遗传和环境因素的多重影响。细胞因子在炎症性疾病的发病机理中起着至关重要的作用,每种炎症均具有典型的细胞因子图谱。 不同的T细胞亚型在疾病的发生时被特定的细胞因子激活,而在疾病进展过程中又会通过不断产生新细胞因子来进一步驱动炎症恶化。同时,淋巴和髓样细胞的网络也会不断增砖添瓦,产生更多细胞因子,使炎症更加复杂化。例如,自然杀伤(NK)细胞和巨噬细胞会分泌促炎细胞因子,吸引并激活其他免疫细胞,而髓样细胞(包括树突状细胞)可能会诱导I型干扰素(IFN)过度生产,从而导致B细胞产生抗体。靶向细胞因子的抗体或生物制剂连年爆棚,是炎症与自身免疫药物研发最热的方向。而多数细胞因子是通过JAK-STAT信号途径完成功能使命的,这也为直接靶向JAK提供了有力的理论依据。Cytokines implicated in pathogenesis and biologic drugs in autoimmune and inflammatory diseasesJAKinibs(JAK小分子激酶抑制剂)的故事始于NIH的免疫学家John O’Shea于1994年发现JAK3作为淋巴细胞的关键调节剂和辉瑞的Tofacitinib的研发历程。Tofacitinib在疗效和安全性方面的积极结果刺激了其它几种针对不同JAK的药物开发,而体细胞JAK2激活突变的鉴定进一步刺激了JAK的开发活动,特别是在血癌方面的应用。目前,三种JAK抑制剂Tofacitinib、Baricitinib和Ruxolitinib已在美国和欧洲批准用于临床。这些药物都代表了第一代具有竞争性的三磷酸腺苷(ATP)的JAKinibs,并以主动构象靶向JH1酪氨酸激酶域。选择性更高的JAKinibs也陆续获得FDA批准,包括JAK2抑制剂Fedratinib、JAK1抑制剂Updacitinib。这里,我们按照靶向不同JAK的应用介绍相关药物研发的最新进展。靶向JAK3治疗自身免疫疾病
超过57种细胞因子可能会受到第一代JAKinibs的影响,而大多数不良事件可以通过细胞因子的已知作用机理来解释,但也有一些难以解释的毒性。感染风险考虑到JAKinibs阻断的大量细胞因子,感染风险似乎没有预期的严重。一种解释可能是许多细胞因子,例如TNF、IL-1、IL-8和IL-17等不依赖于JAK/STAT信号通路。水痘带状疱疹病毒的再活化是JAKinibs治疗患者中最常见的感染性并发症之一,发生率是生物制剂患者的两倍。建议在开始用Tofacitinib或其它JAKinibs治疗之前,先给患者接种带状疱疹疫苗。淋巴细胞减少和血液学改变JAKinibs治疗可引起贫血、淋巴细胞、NK细胞、中性粒细胞和血小板的数量下降。由于细胞因子在造血和淋巴细胞增多中的重要性,这些副作用可被视为与靶向JAK2(例如EPO、TPO)和其他造血生长因子(例如IL-6和IL-11)的细胞因子抑制信号传导有关。尚未报道淋巴细胞和中性粒细胞的变化与严重感染或恶性肿瘤有关。血栓栓塞事件主要在使用Baricitinib时发生,引起了人们对血栓栓塞事件风险增加的担忧。具体原因不是很明确。血脂异常JAKinibs的使用与总胆固醇低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL)颗粒的增加有关。尽管靶向IL-6也与高脂血症有关,但这种副作用的确切机制也尚不清楚。肝功能和其他代谢改变观察到肌酸磷酸激酶水平的轻度升高,这与明显的肌肉疾病无关。恶性肿瘤尽管JAKinibs可以用于治疗血液癌症,但在使用这些药物治疗的过程中,研究发现有些患者会罹患淋巴瘤和其它恶性肿瘤。RA患者通常会增加癌症(包括淋巴瘤)的发病率,而接受JAKinibs治疗的患者的癌症发生率与接受生物大分子疗法的患者相似。鉴于包括IFN-r在内的细胞因子在控制癌症中的重要性,JAK抑制作用可能与癌症风险增加有关,这无疑是合理的。JAK usage and putative relationship to adverse events开发JAK小分子适应症的发展方向浅析
靶向JAK/STAT信号通路,特别是与之相关的细胞因子,在RA及其它自身免疫疾病是大分子药物蛋白及抗体的天下。JAK激酶小分子要做的是虎口夺食。如果要设一个小目标,那么现实就是先实现RA市场占比的10%,这也意味着400亿美元的销售,而Tofacitinib才完成了一半的任务就触顶了。还需要两个小重磅来实现目标。JAK激酶小分子的优势是口服方便,能够克服某些大分子耐药问题,将来占据一席之地不难,但想更近一步,则需要在选择性及降低毒副作用上多下功夫。不久的将来,JAK小分子抑制剂的重磅药物数量应该是大于等于6。参考文献:1、A road map for those who don’t know JAK-STAT. Aaronson DS, Horvath CM. Science. 2002, 296 (5573): 1653–5.2、The promise of Janus kinase inhibitors in the treatment of hematological malignancies. Senkevitch E, Durum S. Cytokine. 2017 Oct;98:33-41.3、JAK-STAT Signaling as a Target for Inflammatory and Autoimmune Diseases: Current and Future Prospects. Banerjee S, Biehl A, Gadina M, Hasni S, Schwartz DM. Drugs. 2017 Apr;77(5):521-546.4、The emerging safety profile of JAK inhibitors in rheumatic disease. Winthrop KL. Nat Rev Rheumatol. 2017 May;13(5):320. doi: 10.1038/nrrheum.2017.51.5、Jakinibs: A New Class of Kinase Inhibitors in Cancer and Autoimmune Disease. Apostolos Kontzias, Alexander Kotlyar, Arian Laurence, Paul Changelian, and John J. O’Shea. Curr Opin Pharmacol. 2012 Aug; 12(4): 464–470.6、Selective Janus kinase inhibitors come of age. John J. O’Shea & Massimo Gadina. Nature Reviews Rheumatology. 2019, volume 15, pages74–757、Selective JAKinibs: Prospects in Inflammatory and Autoimmune Diseases. Anniina T. Virtanen, Teemu Haikarainen, Juuli Raivola & Olli Silvennoinen. 2019, BioDrugs volume 33, 15–32.8、Janus kinases to jakinibs: from basic insights to clinical practice. Massimo Gadina. et al. 2019, Rheumatology, 58, Issue Supplement_1, Pages i4–i16.