STAT1信号通路概述

胡思哲，蒋海，刘鸿，齐宏妍，邵吉民

基金项目：国家教育部高等学校博士学科点专项科研基金（No ．J20100041）和浙江省自然科学基金（No ．LY13H160001）资助

作者简介：胡思哲（1989-），男，博士研究生，主要研究方向：肿瘤病理生理学

通信联系人：邵吉民（1962-），男，教授，博士生导师，主要研究方向：肿瘤病理生理学. E-mail: shaojimin@https://www.360docs.net/doc/4713364482.html,

（浙江大学医学院病理学与病理生理学系，杭州 310058） 5 摘要：信号转导与转录激活子（STAT ）家族包括7个成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A 、STAT5B 以及STAT6。STAT1主要受IFN 的激活，调节许多参与细胞生长、分化、凋亡及免疫的基因的表达。细胞因子可促进STAT1酪氨酸及丝氨酸位点的磷酸化，入核后形成同/异二聚体激活下游基因的表达。STAT1的失活机制使得其调控下游基因有严格的时间限制，赖氨酸乙酰化被认为是终止STAT1的重要信号。本文就过去20多年对STAT110 的研究进展进行概述，着重讲述STAT1信号的激活与终止及其生物学功能等。

关键词：病理学与病理生理学；STAT1；激活；失活；免疫；癌症

中图分类号：R363.2+1

Signal Transduction Pathway of STAT1

15 Hu Sizhe, Jiang Hai, Liu Hong, Qi Hongyan, Shao Jimin

(Department of Pathology and Pathophysiology, Zhejiang University School of Medicine,

Hangzhou 310058)

Abstract: Signal transducer and activator of transcription (STAT) family consist of seven members: STAT1, STAT2, STAT3, STAT4, STAT5A, STAT5B and STAT6. STAT1 is 20 preferentially activated by interferon (IFN) and thereby regulates the gene expressions involved in cell growth, differentiation, apoptosis and immune response. Cytokine-induced tyrosine and serine phosphorylation facilitate STAT1 homo/hetero- dimerization, nuclear translocation and transactivation of downstream gene expression. The transcription of STAT1-targeted genes is strictly regulated in a time limited manner, while the inactivation of STAT1 is likely mediated by 25

acetylation. Here we summarized the research progress of STAT1 signaling activation/termination and their biological functions in the past 20 years.

Key words: pathology and pathophysiology; STAT1; activation; inactivation; immunity; cancer 0 引言

30 信号转导与转录激活子(STAT)通路在所有脊椎动物和一些早期的后生动物中是高度保守的，它能够通过简单而直接的方式把许多细胞因子的信号从细胞膜受体传导到细胞核内，该过程可以分为三个基本阶段：受体的激活、信号转导及靶基因表达。细胞因子可以导致其同源受体被Janus 激酶(JAK)磷酸化、进而为细胞浆内的STAT 提供对接位点；STAT 蛋白被JAK 磷酸化后形成同源/异源二聚体并从膜受体转运到细胞核内；STAT 形成二聚体或更复

35 杂的复合物结合到靶基因调控区域的保守DNA 序列上、调控转录的起始和增强[1,2]。在哺乳动物细胞内STAT 家族包括7个成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A 、STAT5B 以及STAT6，它们调控着细胞生长、分化、凋亡、胚胎发育、器官发生、免疫应答及体内平衡等多种基本生物学进程[3,4]。

1STAT1的结构

STAT1表达后可进行可变剪接从而形成两种蛋白形式：STAT1α和STAT1β，大小分别为91、84 kDa[5]。STAT1α具有完整的转录激活结构域（TAD），此区域中含有两个磷酸化位点，Y701和S727。而STAT1β稍短，缺失了大部分转录激活区，仅包含Y701一个磷酸化位点。

但两者其余部分结构完全相同，都包含一个SH2区、DNA结合区（DBD）和N端结构域。

晶体衍射结构分析表明STAT1通过磷酸化的Y701位点和SH2区形成同二聚体（见图1）。

图 1 STAT1一级（A）及空间（B）结构示意图[6]

Fig. 1 The primary and spatial structure of STAT1

2STAT1信号的激活与终止

2.1STAT1的激活

干扰素（IFN）是STAT1的重要激活物。在IFNγ刺激后，其原本分开的两个受体亚基相互聚集。结合在受体上的两个JAK家族成员——JAK1和JAK2分别被激活，并与干扰素受体共同促进STAT1的招募。STAT1通过SH2区与之结合，并在Y701位点发生磷酸化[7-9] 55

（见图2A）。而IFNα介导的STAT1激活有所不同。在没有IFNα刺激时，干扰素α受体其中一个亚基与TYK2和STAT2形成复合体，而另一个受体亚基与JAK1结合。在IFNα刺激后，两个亚基分别被磷酸化激活，同时STAT2的Y690位点被磷酸化，与磷酸化STAT1

形成异二聚体，之后从干扰素α受体上释放[10,11]（见图2B）。此外，许多白介素如IL2和IL6，生长因子如EGF和PDGF，以及其它一些细胞因子如血管紧张素Ⅱ、HGF和TNF也60

可以激活STAT1，但是这时STAT1可能并不入核与DNA结合，表明STAT1还可以在胞质内发挥其它作用[12,13]。

图 2 IFNγ (A)和IFNα (B)激活STAT1示意图[14]

Fig. 2 Schematic diagrams of STAT1 activation by IFNγ (A) and IFNα (B)

2.2Y701、S727及其它位点的磷酸化

在IFNα或IFNγ刺激后，均可见STAT1的Y701位点的磷酸化，这对于形成STAT1同二聚体或STAT1/2异二聚体是必须的[15]。但如果将L706位突变成S，则在IFNγ刺激后Y701位不能发生磷酸化，虽然如此却不影响STAT1二聚化，可能是通过N端区域相互作用[16]。

许多激酶可以催化S727位点的磷酸化，如受I FNγ激活的ERK1/2、p38α、CaMKⅡ以及PKCδ，但是导致S727位点磷酸化的机制还有待阐明[17-20]。有趣的是一种免疫抑制剂-腺苷可以抑制S727位点的磷酸化[21]。尽管S727位点的磷酸化对于STAT1功能的行使大多数情况下并不是必须的，但对于某些靶基因例如CBP来说则是例外的[22]。有研究表明，该位点突变为亮氨酸后小鼠将极易受细菌感染，IFNγ靶基因的表达水平明显降低[23]。此外还有已发现的、但75

功能未知的其他磷酸化位点比如S708位点[24]。STAT1的磷酸化位点可能存在优先级，不同的磷酸化位点可能具有不同的功能，其具体机制还不清楚。

2.3STAT1的其它修饰

除了磷酸化，近年来发现STAT1还存在乙酰化和甲基化修饰。R31位点可直接被甲基转移酶PRMT1进行甲基化修饰[25]。此外，STAT1某些位点的乙酰化会抑制Y701位点的磷酸化[26,27]。乙酰化发生在赖氨酸残基（K），而将赖氨酸突变为谷氨酰胺（Q）可模拟其乙酰80

化，将赖氨酸突变为精氨酸（R）可模拟其非乙酰化。乙酰化是修饰蛋白质并影响其功能的重要方式，通过模拟乙酰化/非乙酰化的分子突变有助于认识乙酰化的生物学作用。

在体外/体内用IFN、HDACi、PTP抑制剂、干扰RNA以及定点突变STAT1进行研究发现STAT1存在着乙酰化及磷酸化的转换。快速的IFN处理诱导STAT1激活及核定位、85

导致其被CBP乙酰化。随后，乙酰化STAT1与高度激活的酪氨酸磷酸酶TCP45作用使其去磷酸化，从而终止STAT1信号(见图3)。STAT1是一个可被IFN诱导的并被酪氨酸磷酸化和赖氨酸乙酰化同时调控的信号通路分子。

K410及K413位点的乙酰化可促进磷酸化酪氨酸位点与TCP45的作用[28]。因此，STAT1在有活性的酪氨酸磷酸化及没活性的赖氨酸乙酰化之间转换。通过这种机制，STAT1可在90

其靶基因被细胞因子激活后迅速通过CBP介导的乙酰化而终止其作用。尽管组蛋白的乙酰化被认为是促进转录的发生，可是STAT1的乙酰化却是抑制IFN信号。与此一致的是，不能被乙酰化的STAT1突变体K410R、K413R更容易激活干扰素刺激基因(ISGs)，即使在去乙酰化酶抑制剂存在的情况下，其仍处于激活状态。

图3 STAT1的激活及失活[28]

Fig. 3 Activation and inactivation of STAT1 signaling

3STAT1的核质穿梭

STAT1在胞浆内被激活，却在核内发挥其调控转录的功能。激活的STAT1从胞质转入胞核，一旦完成使命从靶DNA上脱落，就重新回到胞质。有研究表明这一穿梭转运过程是100

复杂的，涉及一系列主动转运及被动转运过程。

3.1STAT1入核转运

在IFNα或IFNγ刺激后，STAT1在数分钟内入核，该过程涉及一系列蛋白复合体，包括与核定位序列（NLS）结合的转运蛋白α/β[29]。STAT1的NLS包含一个富含精氨酸/赖氨酸的区域，表明空间结构对于STAT1的入核转运是重要的。此外，STAT1在核内聚集还需105

要结构完整的SH2和磷酸化的Y701位点。Y701位点的去磷酸化对于STAT1失活并转运出核是必须的[30]。然而，在某些因素如血管紧张素Ⅱ、TNF-α或HGF的刺激下，即使是磷酸化的二聚化STAT1也不能进入核内，表明某些形式的STAT1只能在胞质行使特定的功能

[31]。胞质内的STAT1功能还能通过类似STAT3的方式与NF-κB结合并激活下游基因的表

达[32]。

3.2STAT1出核转运

110

在STAT1的DBD区的392-413位，即核输出序列（NES），该序列可与出核转运蛋白-1结合。通过出核转运蛋白-1介导的出核转运需要与复合物Ran-GTP相互作用[33]。STAT1出核的一个必要条件是其在脱离靶DNA后，Y701位发生去磷酸化。当然，参与STAT1出核转运远不止出核转运蛋白-1这一种蛋白质。

4STAT1的转录激活作用

115

4.1与STAT1结合的靶基因序列

STAT家族识别序列即TTN4-6AA，STAT1也不例外。目前为止发现了两个STAT1特异性识别的序列，即干扰素γ活化序列（GAS）和干扰素刺激反应序列（ISRE）。通过ChIP、报告基因等检测手段，可以证明以上两个序列可与STAT1结合。GAS序列往往包含有一段120

回文序列。某些启动子包含串联的若干个GAS序列，以便其更易与STAT1结合并促进其转录[34]。而ISRE序列富含仅隔一两个核苷酸的连续的5’-TTTC-3’或其互补序列5’-GAAA-3’。

有些基因的启动子甚至同时包含GAS和ISRE序列，如CBP基因。

令人费解的是STAT家族中不同的成员功能迥异，但是识别结合的DNA序列却是如此相似。如STAT1和STAT3，它们本身的序列同源性为72%，识别的DNA序列也十分相似125

甚至完全相同[35]。但是两者作用刚好相反，STAT1抑制细胞增殖并促进调亡，而STAT3却促进细胞存活并增殖[36]。在缺失STAT3的细胞系中，STAT1失去了诱导某些特定基因表达的作用，表明该两个STAT家族成员之间有相互作用[37]。通过ChIP或ChIP-chip技术，可以找到STAT1的识别靶序列以及靶基因，而介导STAT1结合到靶基因上的机制十分复杂，在不同的激活条件下识别激活的靶基因也不同[38]。

4.2转录复合体的组分

130

在核内，磷酸化的同二聚体STAT1还需与其他组分相互作用才能发挥功能。这些组分

包括Nmi-1、CBP/p300、MCM-5以及BRCA-1。MCM-5具有ATP酶活性并可参与DNA复

制过程，它可与STAT1结合并增强其转录激活功能[39]。CBP/p300是一种组蛋白乙酰转移酶

可参与染色质重塑，它即可与STAT1的C端结合也可与N端结合。CBP/p300不一定通过

135

与STAT1直接结合而起作用，例如在干扰素刺激基因因子3 (ISGF-3)复合体中它与STAT2

相互作用而不直接结合STAT1[40,41]。

4.3STAT1的转录激活作用

STAT1调控基因转录的功能会随着细胞内环境改变而改变。它的作用可以是直接的也可以是间接的，可以是激活的也可以是抑制的。STAT1激活后，胞内许多基因的表达得到

140

提高，如CXCL9、p21waf1/cip1、ifi205和Hsp70。同时，STAT1也可激活其它类型的转录

激活因子的表达，如NF-κB[42]。此外，在激活某些基因例如IRF1时，STAT1可与Sp1相互

作用[43]。STAT1也可抑制某些基因的转录，如细胞周期蛋白A、c-myc、MMP-9、Bcl2和

BclxL。甚至在没有磷酸化时，STAT1也可诱导某些涉及免疫调节的基因的表达，如LMP2和TAP1[44]。

5STAT1的生物学功能

145

STAT1主要具有抗感染及抑制细胞增殖作用，可参与调节免疫系统、细胞分化、肿瘤抑制、抑制细胞生长以及促进细胞凋亡等生理过程。

5.1激活免疫系统

在抵抗病毒、细菌以及寄生虫感染的免疫反应中STAT1扮演着重要的角色。缺失STAT1

的小鼠由于受到病毒感染在八周内便会死亡[45]。STAT1参与依赖MHCⅠ/Ⅱ抗原呈递的任150

何一个过程，包括蛋白酶体亚基LMP2、LMP7，以及TAP的形成[46]。此外，在小鼠中STAT1

参与由IL27刺激的B细胞早期发育，而在STAT1缺失的病人体中也发现细胞表面的IgG

表达明显不足[47,48]。在人类受到高剂量的病毒感染后会出现STAT1基因突变的现象，STAT1

异常表达导致机体对其它传染病的易感性[49]。

5.2抑制细胞生长

155

IFNα和IFNγ需要通过STAT1来实现其对细胞增殖的抑制作用。同时，由表皮生长因子引起的细胞增殖抑制的细胞中可发现STAT1的表达，且其表达是必需的[50]。STAT1引起的细胞生长抑制主要是通过调节细胞周期相关基因的表达而实现的，包括促进两个CDK的抑制剂p21waf1和p27kip1表达和抑制细胞周期蛋白A、B、D2、D3以及E表达，此外STAT1 160

还可抑制c-myc的表达，这进一步阻滞了细胞周期[51,52]。

5.3促进细胞凋亡

STAT1可诱导凋亡蛋白caspase前体的合成，后者可在体内或体外刺激的作用下形成凋亡蛋白，进而水解其他蛋白质。在鼠淋巴细胞中，STAT1可组成性地诱导caspase 1、3、11前体的表达，其中caspase 1、11对于随后的3和8的酶切是必须的[53]。Caspase不是STAT1 165

诱导表达的唯一凋亡基因，在结肠癌细胞、小胶质细胞和成纤维细胞中Fas基因也可以被

IFNγ诱导激活[54]。在心肌细胞中，缺血/再灌注诱导的凋亡往往伴随着STAT1的激活，进而诱导Fas、凋亡蛋白-1基因的表达[55]。以上过程都可被STAT1反义RNA抑制。此外，STAT1的激活可抑制抗凋亡蛋白Bcl2和Bcl-X基因的表达[56]。

STAT1的高表达可激活TNF-α凋亡蛋白途径。STAT1可与TRADD相互作用，从而对NF-κB形成竞争性抑制，此外，STAT1也可与TRAF2形成竞争，进而抑制TRADD/TRAF2/RIP 170

复合物的形成[57]。STAT1通过两方面的作用促进TNF-α诱导的凋亡：它可抑制NF-κB信号，同时可诱导前体caspase-3的表达，该蛋白参与caspase-8介导的细胞凋亡[58]。STAT1还可以与p53蛋白作用，该蛋白参与调节细胞凋亡和细胞周期。平时处在低水平表达的p53蛋白，在缺氧、营养饥饿、DNA损伤或者癌基因被激活的情况下，表达水平明显提升[59]。相对于175

仅仅敲除p53的小鼠，敲除STAT1/p53的小鼠的自发或者化学诱导的癌症发病率要高很多

[60]。在人类成纤维细胞中，X射线引起的DNA损伤后的p53激活，受到STAT1的调控。

在该系统中，STAT1诱导p53的15位以及20位丝氨酸位点的磷酸化[61]。

5.4参与细胞分化

有研究在STAT1缺失的小鼠细胞中阐明了一种STAT1参与细胞分化的机制。在这些小180

鼠中，转录激活子Runx-2被上调从而使得造骨细胞被过量激活，而此激活活性在正常状态下可被胞质中非磷酸化STAT1抑制[62]。此外，视磺酸诱导的人早幼粒细胞分化与STAT1

的727丝氨酸位点的磷酸化密切相关[63]。

5.5抑制肿瘤形成

STAT1是肿瘤形成、血管形成以及组织转移的抑制因素。在STAT1缺失的小鼠中，自185

发的或者是化学诱导的肿瘤发生要比野生型小鼠频率更高，并且IFNα的抗肿瘤活性消失，因此STAT1被认定为肿瘤抑制蛋白[64]。的确，在人类癌症中耐受IFN治疗的都与STAT1

表达下降有关，并且在乳腺癌中，STAT1的表达往往代表良好的预后[65]。在肾母细胞瘤中，STAT1丝氨酸727位点磷酸化预示着良好的预后[66]。STAT1的肿瘤抑制作用可能与其在免疫系统中的作用密切相关，STAT1直接诱导转录激活子CⅡTA的表达，进而激活MHCⅡ190

的表达[67]。尽管STAT1是肿瘤抑制因子，有迹象表明在某些情况下它也能促进肿瘤的生长。

有研究表明它可促进一种与IFN信号无关的血液癌症的发生，并上调MHCⅠ的表达，表明STAT1可促进不受IFN信号调控的一些癌症的发生[68]。

6展望

尽管二十年来STAT1信号相关的研究已经取得了巨大的进展，但还有许多方面的问题195

需要进一步探索。其中包括检测STAT1其它的翻译后修饰类型、位点和相关的酶以及调控

其信号活性的其它蛋白。在不同组织和不同生理条件下STAT1对其靶基因调控的差异以及其在免疫监视和肿瘤抑制中的作用也需要进一步澄清。STAT1还能与其他转录因子或者信号蛋白相互作用，随着相关机制的不断揭示可能使它成为多种病理生理进程的理想干预靶点。

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