Janus 激酶/信號轉導與轉錄激活因子信號通路在腸缺血再灌注損傷中的研究進展

楊 光，王 猛，賈騏瑄，張云杰

腸缺血再灌注（ischemia/reperfusion, I/R）損傷是臨床常見的腸道病理過程[1]，可繼發于多種病理條件下，如急性休克、小腸移植、腸系膜血管栓塞等情況。腸道極易發生缺血性損傷，一方面，人體血供下降時，會優先將血液供應給心、腦等器官，腸道血供減少；另一方面，絨毛尖端的腸上皮細胞位于中央小動脈的末端位置，本身氧分壓較低，所以更容易發生缺血損傷[1]。由于腸絨毛中毛細血管環的特殊分布，腸道對I/R 敏感，常導致腸黏膜屏障損傷。腸道是休克中最早受損、最后恢復的器官。

缺血再灌注分為兩個階段：缺血階段和再灌注階段。在缺血階段，局部細胞組織無法得到足夠的氧，從而無法合成足夠的三磷酸腺苷（ATP），使局部組織缺少運行所需的能量，同時，有氧代謝途徑無法運行而進行無氧代謝，不僅無法提供足夠的能量，而且會引起乳酸等有害物質堆積，造成器官損傷。其次，血流再灌注和再充氧過程中產生的大量活性氧（reactive oxygen species, ROS），引發氧化應激反應，進而導致腸黏膜屏障破壞、血管通透性增加、細菌易位，以及炎癥介質和凋亡因子的釋放[2]。腸I/R 損傷在組織學上可降低絨毛高度，增加細胞浸潤，加重黏膜脫落，破壞腸黏膜屏障功能[3]。此外，腫瘤壞死因子（TNF）-α、白細胞介素（IL）-6、IL-1β等促炎因子被釋放到血清中，可能會引發全身炎癥反應綜合征、多器官功能障礙綜合征等[4]。

Janus 激酶/信號轉導與轉錄激活因子（janus kinase/signaltransducersandactivatorsof transcription, JAK/STAT）信號通路與腸I/R 所致腸損傷的發生有密切的關系，通過氧化應激、中性粒細胞的聚集、腸屏障功能等影響腸I/R 損傷[5]。與其他信號通路相比，JAK-STAT 信號通路擁有相對簡單與清晰的通路結構組成：首先是酪氨酸激酶受體接收信號，然后酪氨酸激酶JAK 傳遞信號，最后轉錄因子STAT 調控下游產生效應。JAK 是一類非跨膜型的酪氨酸激酶，其活化受到配體與受體的影響，當二者結合后，JAK 的活化可使自身磷酸化，此時的JAK 使下游的酪氨酸殘基磷酸化，從而完成信號傳遞的過程。在收到JAK 磷酸化修飾后，轉錄因子STAT 活化，其蛋白二聚并進入細胞核結合靶基因，以此調控下游基因的轉錄。

1 JAK-STAT 概述

JAK-STAT 信號轉導通路家族有典型和非典型兩種激活途徑[6]。典型激活途徑中，JAK 在配體和受體結合誘導下磷酸化，結合受體在活化的JAK 影響下使自身酪氨酸磷酸化，STAT 被招募，在形成的STATs ?？课稽c上對接，并在受到JAK 磷酸化后與受體分離，通過sh2 結構域-磷酸酪氨酸相互作用形成同源二聚體或異源二聚體。這些二聚體轉運到靶基因啟動子上，調控靶基因的轉錄。非典型激活途徑下，未磷酸化的STAT 池的一部分位于與核中等位常染色體基因異染色質蛋白-1(HP1)相關的異染色質上。JAK 或其他激酶誘導STAT 的激活，使HP1 與異染色質分離，磷酸化的STAT 與常小體上的認知位點結合，調節基因轉錄。

JAK 是一類非受體酪氨酸激酶家族，已發現有4 個成員：JAK1、JAK2、JAK3 及TYK2。STAT 為JAK的底物，已發現7 個家族成員：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b 和STAT6，其N 端具有SH2 結構域和核定位信號（NLS），中間為DNA結合域，C 端有保守的、對其活化至關重要的酪氨酸殘基。STAT 被JAK 磷酸化后發生二聚化，然后穿過核膜進入核內調節相關基因的表達，這條信號通路即為JAK-STAT 途徑。

2 JAK-STAT 信號通路與腸I/R 損傷

2.1 炎癥反應 炎癥是腸I/R 損傷的主要特征之一。腸I/R 誘導的損傷有多種機制，促炎反應在其發病機制中起著重要作用。有證據表明，白細胞黏附會增加ROS 和其他促炎介質的產生[7]。白細胞活化會引起強烈的血管收縮現象，導致低灌注甚至無復流現象，微循環完全停止[8]。減少ROS 的產生和減輕促炎反應可以顯著減少I/R 引起的損傷。

JAK-STAT 信號通路可以調節腸干細胞(ISCs)的增殖和腸道穩態。在炎癥狀態下，JAK-STAT 通路被激活以促進ISCs 的增殖和分化[9]。與此同時，損傷的腸道會產生大量ROS 并以此來誘導氧化應激，導致腸上皮損傷和ISCs 過度增殖[10]。腸I/R 損傷中，胃腸道是ROS 的主要來源，雖然有腸上皮的保護屏障，但攝入的物質和病原體可以通過激活上皮細胞、多形核中性粒細胞(PMNs)和巨噬細胞來產生炎癥細胞因子，以及其他進一步促進氧化應激的介質而引起炎癥[11]。JAK-STAT 信號通路的激活與胃腸道炎癥和ISCs 增殖相關，這可能會加速炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease, IBD）的發展[12]。通過降低炎癥因子抑制JAK-STAT 信號通路，可維持炎癥環境下腸道穩態。

在腸道I/R 損傷過程中，一系列趨化因子和炎癥因子(如核因子-κB)的激活導致循環吞噬細胞激活，放大腸道炎癥級聯反應，引發全身炎癥反應和遠端器官損傷。JAK2-STAT3 是一種重要的免疫信號通路，其參與炎癥反應并在其中起重要的作用。STAT3 受JAK2 介導的磷酸化刺激，缺血時，JAK2磷酸化增加，STAT3 磷酸化增加，炎癥因子釋放增加[13]。JAK2/STAT3 信號通路被激活，可增加炎癥相關蛋白編碼基因（如高遷移率族蛋白B1）的表達，加重缺血后炎癥反應[14]。抑制P65/JAK2/STAT3 的磷酸化可減輕缺血后炎癥反應。另外，有研究報道可以通過JAK2/STAT3 信號通路調控NLRP3 炎癥小體，其激活與抑制可實現對炎癥級聯的增強與減弱[15]。

2.2 氧化應激 正常的細胞代謝會產生ROS，少量和適量的ROS 對人體不僅沒有危害，還有諸多好處，如殺死入侵人體的病原體，或是促進傷口愈合，加速組織的修復等。然而，在腸I/R 過程中，脂質過氧化與炎癥因子的釋放產生過多的ROS，是導致再灌注后組織氧化和腸上皮細胞損傷的重要條件[16]。一方面，缺血階段局部缺氧，合成障礙使ATP 匱乏，細胞內酸性物質堆積導致酸中毒，再灌注后血供恢復，但細胞內鈣超載和ROS 生成會導致大量炎性細胞聚集，加重腸道內炎癥反應和腸上皮細胞損傷[17]；另一方面，ROS 大量產生，胞內DNA、脂質和蛋白質受氧化應激反應影響大量損傷，細胞結構受到破壞，引起細胞死亡[18]。當氧氣在再灌注過程中恢復時，受損細胞和組織中大量的ROS 可以攻擊幾乎所有的細胞內生物分子(如細胞膜、細胞器甚至DNA)，這種氧化應激通過信號轉導途徑破壞上皮細胞的動態穩態，從而導致大量炎癥介質的釋放，誘導細胞凋亡，破壞腸屏障功能，加劇再灌注后的損傷。

線粒體在細胞的有氧代謝中扮演重要角色，線粒體DNA(mtDNA)參與細胞的氧化磷酸化，維持正常的線粒體功能。mtDNA 被破壞后，ROS 的產生增加，mtDNA 釋放到細胞質中誘導促炎介質和促凋亡因子的激活[19]。此外，線粒體呼吸鏈調節ROS 的產生。線粒體復合物I 和III 在氧化過程中通過電子泄漏產生ROS[20]。在缺血過程中，線粒體氧化應激相當溫和，但在再灌注開始時，活性氧ROS 升高，在缺血后數小時和數天內更為明顯[21]。

JAK-STAT 信號通路中，除STAT4 外的所有STATs 都存在于線粒體中，它們對促進氧化磷酸化和膜通透性具有重要意義，抑制其發揮作用可以減輕腸I/R 損傷過程中的氧化應激、保護腸道組織。STAT3 定位于內質網，有助于抵抗氧化應激引起的細胞凋亡[6]。STAT 信號通過JAK2 途徑作用于細胞內ROS，氧化應激激活JAK/STAT 可加重腸I/R 損傷。相反，JAK/STAT 信號通路的抑制劑，如丙酮酸，不僅對氧化應激反應有抑制作用，還可以減少中性粒細胞浸潤，調節微循環，抑制細胞凋亡[22]。通過抑制JAK/STAT 信號通路，可以使細胞免受缺氧缺糖/再灌注損傷(OGD/R)誘導的氧化應激、自噬和凋亡作用影響[23]，保護腸道屏障，從而減輕腸I/R 損傷。Nrf2 基因的過表達可對JAK2/STAT3 信號通路起抑制作用，通過這種方法抑制大鼠的氧化應激，同時減輕其炎癥反應[24]，通過這兩方面來達到減輕大鼠缺氧缺血性損傷的目的。

2.3 細胞自噬 自噬（autophagy，ATG）是細胞內物質周轉的重要過程，線粒體自噬能夠清除損傷及老化的線粒體，然后通過與線粒體生物合成相配合，從而對線粒體質量進行控制，最終起到調控線粒體的數量、分布及功能的作用，是選擇性自噬的一種。研究認為器官I/R 中，在線粒體分裂增加的情況下，其自噬減少導致其數量平衡被打破，損傷的線粒體無法被及時清除而大量堆積，從而造成細胞損傷[21]。腸I/R 損傷過程中，缺血引發線粒體缺氧，在線粒體大量損傷的基礎上，大量活性氧產生，進一步損傷線粒體的同時也使氧化應激更加嚴重，導致腸I/R造成的損傷進一步擴大。因此，腸I/R 過程中，通過特定途徑增強自噬，從而清除受損的線粒體，可以保持線粒體的質量和數量，減輕腸道組織損傷。

JAK2/STAT3 參與自噬活動的調節，生理狀態下非磷酸化的JAK2/STAT3 在機體受到外界刺激時，可在短時間內發生磷酸化轉化，通過酪氨酸蛋白激酶結合位點與IL-6、TNF-α 等相應受體相結合，激活下游酪氨酸殘基，發揮生物學效應[25]。因此，用JAK2 抑制劑或STAT3 siRNA 阻斷STAT3 磷酸化，對抑制JAK2/STAT3 信號通路，降低腸黏膜上皮細胞凋亡水平，增強自噬，保護腸黏膜屏障，減輕腸I/R 中腸道組織損傷有積極意義。此外，還有研究顯示，IL-6 激活JAK 激酶，通過JAK-STAT 信號通路，在I/R 前以劑量依賴方式增強體外自噬，而不影響其他激酶途徑[26]。

2.4 巨噬細胞極化 巨噬細胞是先天免疫反應的重要成員，與組織的炎癥反應程度有很大關聯，同樣在腸I/R 損傷進展中發揮著重要作用。巨噬細胞可以表現出一系列不同的激活表型，以響應不同的微環境或外源性刺激。巨噬細胞極化并不是巨噬細胞的一種長期狀態，而是巨噬細胞在某一時間點的激活狀態。

當巨噬細胞暴露于入侵細胞的病原體或細菌時，它們通常極化為M1 表型(經典激活表型)。M1 巨噬細胞通常出現在由toll 樣受體(TLR) 或干擾素(IFN)信號通路控制的促炎環境中，因此表達出促炎作用，通過分泌促炎細胞因子和一氧化氮(NO)抑制細胞增殖并引起組織損傷[27]，在腸I/R 進程中，M1表型可加重腸道炎癥反應，破壞腸黏膜屏障，損傷腸道組織。M2 巨噬細胞是另一種激活表型，存在于T2 反應主導的環境中，由IL-4 或IL-13 誘導[28]。M2巨噬細胞表達高水平的精氨酸酶1(arginase-1，Arg-1)，它催化鳥氨酸的產生。鳥氨酸是細胞產生多胺的直接底物，是M2 巨噬細胞完成膠原合成、增殖、組織重塑等功能所必需的[29]。這些細胞促進細胞增殖、組織修復、血管生成和吞噬作用，以降低炎癥反應并在炎癥事件后“清理”，在腸I/R 損傷過程中，能夠保護腸黏膜屏障，降低炎癥反應造成的破壞，減輕腸道組織損傷。

經典激活(M1)巨噬細胞分泌促炎因子，并表現出增強的殺微生物活性和高抗原呈遞能力[30]。這些特征是由IFN-γ 介導的JAK/STAT 信號促進的。IFN-γ 是激活JAK-STAT 信號通路的關鍵[31]。STAT1 是M1 巨噬細胞極化的重要中介，其活性對M1 極化至關重要[32]。M1 巨噬細胞極化的另一個關鍵機制是核因子-κB (NF-κB)信號通路。巨噬細胞細胞膜上TLR 的激活啟動了下游級聯，激活NF-κB通路，并促進促炎介質的后續釋放[33]。

腸I/R 損傷激活JAK2/STAT3 通路，通路的激活進一步加重腸道損傷，破壞腸道環境，損傷腸黏膜屏障，抑制其通路可減輕腸道損傷。腸I/R 過程中，JAK2/STAT3 通路誘導巨噬細胞向M1 極化。抑制JAK2/STAT3 通路可誘導巨噬細胞M2 極化，減輕Caco-2 細胞的OGD/R 損傷[34]。促進巨噬細胞由M1 向M2 表型的轉變，可發揮抗炎作用，降低腸道炎癥對腸黏膜屏障的破壞，保護腸道組織，對減輕腸I/R 損傷具有重要作用。巨噬細胞中IL-6/STAT3信號通路的激活在巨噬細胞產生趨化因子中起著關鍵作用，并參與M1/M2 巨噬細胞極化。此外，STAT3 的磷酸化是與巨噬細胞激活狀態相關的關鍵事件[35]。

3 結論與展望

腸I/R 損傷是臨床常見的病理改變，JAK/STAT信號通路在腸I/R 損傷中發揮重要作用。通過JAK/STAT 信號通路調節炎癥反應、氧化應激、細胞自噬及巨噬細胞極化等，對減輕腸I/R 損傷有積極意義。JAK/STAT 信號通路調控腸道I/R 損傷的作用機制尚未完全闡明，深入研究有助于更好地了解腸I/R損傷的病理過程，以期為靶向藥物治療的研究提供分子學基礎。