STAT3信号通路-程序性坏死在肝病中的研究进展*

李 霞，邓 洁，汪 杰，黄美颖 综述，何毅怀△ 审校

(遵义医科大学附属医院：1.感染科；2.儿科，贵州遵义 563003)

肝脏有肝静脉及门静脉双重血液供应，承担着人体重要的代谢和解毒功能，致使其易暴露于各种生物及化学致病因子中，如乙型肝炎病毒、多种中草药、抗结核药及化学毒物等，这些因素常可导致肝损伤，严重者甚至可发展为肝衰竭，危及患者生命安全[1]。肝细胞变性、死亡被认为是发生多种肝病的基本环节，而细胞程序性坏死(也称为坏死性凋亡)是新近发现的一种细胞死亡方式，因此，研究控制肝细胞程序性坏死对治疗肝病、减轻肝损伤具有重要意义[2]。肝脏受损时激活急性期反应、内质网应激等反应保护受损肝细胞，以维持肝脏正常结构及功能[3]。有研究发现，肝损伤患者白细胞介素-6(interleukin6，IL-6)高表达，并通过其受体——糖蛋白130(glycoprotein 130，gp130)激活信号传导与转录激活因子-3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)，介导急性期反应。STAT3信号是调节肝细胞存活、增殖及分化的重要信号，涉及多种肝病的发病过程。现将肝病中STAT3信号通路与细胞程序性坏死的研究综述如下，旨在为今后预防及诊治肝病提供新的思路。

1 STAT3信号通路

STAT3在1994年由AKIRA等在研究干扰素诱导基因转录时发现，其作为IL-6信号传递中的急性期反应因子被鉴定为一个胞浆蛋白家族，由750～795个氨基酸组成，存在α、β、γ、δ 4种异构体[4]。STAT3主要通过其功能蛋白间的相互作用参与各种疾病的发生、发展，而IL-6/gp130/Janus激酶(Janus kinases，JAK)/STAT3信号通路的传导是STAT3发挥其功能的关键。

1.1 IL-6/gp130/JAK/STAT3信号通路的传递

IL-6/gp130/JAK/STAT3信号的经典作用之一是参与肝脏急性期反应。IL-6由淋巴细胞、单核细胞等多种免疫细胞产生，由其受体介导，发挥多种生物学功能。IL-6受体(IL-6R)由2条gp链组成，即α链(gp80)相对分子质量为80×103和β链(gp130)相对分子质量为130×103[5]。gp80缺少胞内区，与IL-6低亲和性结合后与gp130高亲和性结合，向细胞内传递信息，介导急性期反应[6]。同时IL-6可通过其受体——gp80/gp130启动肝再生，参与修复肝损伤。gp130是一种细胞膜蛋白，内质网在其合成过程中起着核心作用，至少是8种细胞信号分子的下游配体复合物的一部分，包括IL-6、IL-11、IL-27、睫状神经营养因子、心肌营养素-1、抑瘤素-M、白血病抑制因子和心肌营养素样细胞因子[7]。在经典信号途径中，IL-6Rα/gp130相互作用合成多聚体，激活介导下游信号分子活化发挥生物学效应，包括介导JAK-STAT、细胞外信号调节激酶/丝裂原活化蛋白激酶(ERK-MAPK)和磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K-AKT)3种途径的细胞内信号传导[8]。有研究表明，体内存在可溶型gp130的表达，被认为是IL-6转移信号途径的天然抑制剂。

1.2 STAT3信号的生物学效应

STAT3主要由7个部分构成[9]：(1)N端结构域，主要与STAT3的多聚体化有关；(2)C端结构域，磷酸化STAT3的特定氨基酸，从而对下游基因的表达起调节作用；(3)DNA结合结构域，在其核转移过程中具有一定的作用，以二聚体的形式结合DNA；(4)卷曲螺旋结构域，是转录因子和调节蛋白的结合位点；(5)连接区，具有稳定DNA结合域的作用；(6)Src同源域3(SH3)区，其功能尚不明确；(7)SH2区，参与了STAT3的酪氨酸磷酸化。STAT3均能被IL-6家族的细胞因子激活，是介导IL-6功能的重要信号分子[10]。IL-6家族的细胞因子与其受体结合可诱导gp130的同源或异源二聚化，使下游JAK自发磷酸化并活化。活化的JAK使受体胞质区gp130磷酸化，随后为STAT3 的SH2区提供了停靠位点，并磷酸化STAT3的酪氨酸705(Tyr705)，使其活化。2个激活的STAT3 通过SH2区与磷酸化的Tyr705反式结合形成二聚体，调节靶基因的转录活性。STAT3可以激活的主要靶基因包括细胞周期蛋白1(Cyclin D1)、Cyclin D2、Cyclin D3、Cyclin A、细胞分裂周期因子25A(cdc25A)、c-myc、Bcl-XL、血管内皮生长因子(VEGF)、Survivin、Pim-1原癌基因等，以及下调p21、p27等一系列蛋白，调节细胞周期、凋亡、炎性反应及血管生成等。最近有研究表明，STAT3 Tyr727上的磷酸化被认为以转录无关的方式增加呼吸链复合体Ⅰ和Ⅱ的活性，故认为STAT3也参与了线粒体相关代谢[11]。除JAK外，其他途径的相互干扰也会导致STAT3磷酸化和活化，如丝裂原活化蛋白激酶和哺乳动物雷帕霉素蛋白途径。得益于STAT3调节基因的转录活性的多样性，STAT3信号传导通路在某些情况下可参与肿瘤的发展、损伤的修复及炎性反应的级联效应等。正常细胞及生理状况下STAT3的活化是快速且瞬时的，这是基于生理性负性调节途径的存在[12]。负性调节STAT3信号的蛋白主要包括Src、同源区蛋白酪氨酸磷酸酶1/2[13]、抑癌基因的细胞信号转导 (SOCS)家族反馈抑制剂[14]、蛋白酪氨酸磷酸酶、活性STAT蛋白抑制剂[15]等。当损伤因素持续作用于细胞，这种生理状态下的平衡将会失调。

2 程序性坏死

程序性坏死与坏死在形态学上有类似的改变，并且有严格的分子调控机制[16]。坏死的特点主要表现为细胞体积明显增大、线粒体等细胞器膨胀和细胞内容物释放[17]。细胞坏死过程中释放的大量细胞内容物会激活机体免疫应答，广泛参与各种疾病的病理生理过程中。

目前，存在多种受体诱导和调控程序性坏死的发生，以肿瘤坏死因子受体(tumor necrosis factor receptor,TNFR)家族或Toll样受体家族调控启动最为常见，但其典型的是TNFR1介导的信号传导通路[18]。肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、TNFR1 及受体相互作用蛋白激酶1(receptor interacting protein kinase 1，RIP1)形成的复合体Ⅰ，启动了程序性坏死。TNF-α具有免疫应答、炎性反应、细胞损伤等功能，主要由单核巨噬细胞产生。TNF-α刺激其细胞膜受体——TNFR1在细胞膜的细胞质面形成复合物Ⅰ，激活下游的核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)，调节细胞生存和炎性反应。复合物Ⅰ通过调控泛素化的酶作用促使复合物Ⅱ的形成，在不同条件下发生不同形式的细胞死亡。半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-8(cysteinyl aspartate specific proteinase 8,caspase-8)以酶原的形式存在，处于TNF-α/TNFR1下游，是复合物Ⅱ启动细胞程序性坏死与凋亡的分界点[19]。RIP1、TNFR3受RIP激酶激活彼此相互作用形成异二聚体，caspase-8受到抑制，导致坏死复合体Ⅱb形成，诱发程序性坏死。相反，去泛素化的RIP1与下列信号分子，如TNFR1相关死亡区段结合蛋白(TRADD)、Fas相关的活性域、Fas相关死亡区段结合蛋白(FADD)样IL-1b转换酶抑制蛋白、caspase-8等形成复合物，以激活caspase-8，断裂RIP3的天冬氨328位点，形成复合体Ⅱa，则发生凋亡。

RIP1/RIP3组成的复合体Ⅱb传送了细胞程序性坏死的信号。RIP家族具有同一类的激酶结构，与含死亡结构域(如TRADD、TNFR1、Fas等)结合或自身相互调控参与程序性坏死和信号传导等，也可以激活caspase-8 产生活性氧[20]。RIP1 的C端具有死亡结构域，其功能受泛素化和磷酸化的控制。有研究表明，TNF-α可以诱导RIP1和死亡诱导信号复合物形成一个稳定的泛素链，使RIP1具有促进细胞死亡的功能，进而参与细胞的存活、坏死、凋亡等[21]。有研究发现，RIP3 的C端具有一段与RIP1相同而不存在于RIP家族其他成员中的片段，即RIP同型结构域(RIP homotypic interaction motif，RHIM)，这种同型结构赋予了RIP3与RIP1相互作用的结构基础，RHIM能与RIP1结合并发生磷酸化从而调控NF-κB的活性变化，使之在介导细胞的存活方面发挥重要作用[22]。RIP3是在细胞凋亡及程序性坏死间相互转换的关键蛋白[23]。在TNF-α诱导的程序性坏死途径中RIP3呈高度磷酸化状态，其丝氨酸227位点的磷酸化是关键，可传递募集与激活底物分子——混合谱系激酶结构域样蛋白(mixed lineage kinase domain-like protein，MLKL)，使其苏氨酸357和丝氨酸358位点发生磷酸化，进而促使细胞发生程序性坏死。另外，有研究表明，RIP3磷酸化能被坏死性凋亡抑制剂1(Nec-1)抑制，而Nec-1作为RIP1的抑制剂已得到证实。RIP3、RIP1存在紧密的相互作用，包括RIP3对RIP1的直接和间接磷酸化作用，以及RIP1在serl61位点的自磷酸化作用，通过破坏细胞的能量代谢平衡，触发程序性坏死。

RIP1、RIP3和MLKL形成的坏死体执行了细胞的死亡。MLKL是RIP3行使功能的关键性底物，细胞发生坏死性凋亡的执行蛋白。RIP3与MLKL的C末端激酶结构域结合，使MLKL中T357/S358两个位点发生磷酸化，并暴露其激酶结构域，与相应的效应分子彼此作用，激活坏死复合体使细胞发生病理生理改变[24]。通过敲减MLKL的细胞探索到其介导坏死必须依赖N尾端[25]。MLKL蛋白的N-末端螺旋束在磷酸化后发生折叠，形成四聚体，可进一步与细胞膜或细胞器膜中的磷脂酰肌醇脂质(phosphati-dylinositol lipids，PIP)结合，从而开放细胞膜孔道破坏膜的完整性，引起细胞Ca2+、Na+内流造成细胞或细胞器肿胀，最终引起细胞崩解导致其呈坏死样改变[26]。抑制PIP的合成会减少由MLKL诱导的坏死[27]。MLKL的下游还参与了调节活性氧的产生，进一步加重程序性坏死进程，可能与募集一种线粒体蛋白磷酸酶——磷酸甘油酸变位酶家族成员5；(PGAM5)并使之磷酸化有关。PGAM5的活化可以造成以特定结构排列的线粒体发生节段性断裂，其剪切体PGAM5S招募线粒体分裂因子——动力蛋白相关蛋白1(Drp1)，并去磷酸化其Ser673位点调控其鸟苷三磷酸酶家族活性，导致线粒体整体结构破坏，这是程序性坏死的必要过程[28]。此外， MLKL还存在一种有别于TNF诱导的坏死调节系统参与细胞死亡：MLKL蛋白的C端融合表达了糖皮质激素受体的激素结合域(HBD)标签(HBD结构域来源于激素受体结合配体的关键部位，能够在小分子40HT的诱导下以同源二聚体的形成结合在一起，从而成为一个可以特异性诱导目标蛋白二聚化的经典体系)，在40HT的诱导下表达了MLKL-HBD的细胞出现了明显的细胞坏死，而作为对照的过表达HBD的细胞则没有发生死亡[29]。尽管目前MLKL参与程序性坏死的精确机制尚不明确，但研究已证实，通过多机制使MLKL沉默可抑制坏死性凋亡，故抑制MLKL表达有望缓解某些肝病的进展。

3 STAT3信号通路与程序性坏死

有研究表明，STAT3调控细胞程序性坏死过程。STAT3可通过与TNF-α、Caspase、RIP1、RIP3等相互调控影响细胞的程序性死亡。TNF-α是诱导坏死性凋亡的起点，在TNF-α受体的下游线粒体中的活性氧产生被认为是坏死作用的必要条件，抗氧化剂或线粒体复合物Ⅰ抑制剂可以减轻TNF-α诱导的细胞损伤。STAT3可通过与线粒体复合体Ⅰ的一个亚基GRIM-19相互作用，导致STAT3转位到线粒体，诱导活性氧产生，增加程序性坏死，故抑制STAT3表达可缓解TNF-α介导的活性氧生成及细胞坏死[30]。STAT3被证明是钙蛋白酶的下游，可以调节RIPK3表达和MLKL磷酸化。此钙蛋白酶-STAT3-RIPK轴诱导内质网应激和线粒体钙异常[31]。目前已明确IL-6/gp130/JAK/STAT3信号通路可参与调控细胞凋亡，并在细胞损伤时通过促使细胞周期蛋白D1/细胞周期蛋白依赖性激酶4(cyclin D1-Cdk4)复合物的产生，促进细胞修复损伤及细胞增殖，但该通路与程序性坏死的研究甚少见。在关于内质网应激对急性肝损伤肝内gp130表达影响的研究中发现：敲减gp130后磷酸化的STAT3表达下调，而RIP3表达上调，通过实验已验证gp130对急性肝损伤具有一定的缓解作用。作为gp130下游分子——STAT3是否通过此通路抑制肝细胞程序性坏死或激发炎性反应涉及肝细胞受损的保护作用中，以及以何种机制参与均需要后续进一步完善实验明确。

细胞发生程序性坏死时细胞质膜及细胞器破裂会释放大量炎症因子，对IL-6/gp130/JAK/STAT3信号通路具有广泛的调控作用。如TNF-α是一种内源性致热原，可诱导肝细胞急性期蛋白合成，包括刺激IL-6的生成。有研究发现，肝损伤在炎症恢复阶段，TNF-α通过JAK/STAT、NF-κB等信号通路激活增殖相关基因表达，促进肝细胞增殖；在TNF-α诱导的坏死过程中RIP1的表达或活性对STAT3在丝氨酸727上发生磷酸化具有关键性作用。MLKL在TNF-α介导的程序性坏死中可调节线粒体活性氧的产生，而STAT3在其过程中具有重要的作用，不排除MLKL具有直接激活STAT3的可能。同样，STAT3相关信号通路对程序性坏死也具有一定的调控作用。有研究发现，JAK2可由某些细胞因子激活后诱导STAT3的磷酸化，活化的STAT3通过激活NF-κB参与介导TNF-α、IL-6等炎症介质的表达及释放，反作用激活JAK2/STAT3信号通路，导致炎性反应扩大；此外，骨髓来源的抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells，MDSC)自分泌IL-6激活STAT3，进而激活组蛋白甲基转移酶和DNA甲基转移酶，以诱导表观遗传沉默TNF-RIP1坏死病途径，从而促进MDSC存活及积累[32]。有研究发现，在肝损伤模型中gp130可使磷酸化STAT3表达上调，并下调RIP3的表达，可见gp130对肝细胞程序性坏死具有缓解作用，但目前机制尚不明确。总之，2条信号通路存在相互调控，但具体调控的分子机制及作用靶点仍有很大的研究空间。且STAT3具有多重作用机制，一方面通过炎性反应加重损伤；另一方面可参与损伤增殖修复，推测可能在不同条件下、不同器官组织中因不同信号通路调控及自身表达的量产生不同效应。

4 程序性坏死与肝病

肝细胞变性、死亡被认为是由药物、病毒感染和脂肪摄取堆积等引起的急性和慢性肝损伤的共同机制。肝细胞死亡被认为是肝病中最重要的病理表现，而肝细胞死亡速度、数量决定了肝病的严重程度。细胞死亡可表现为多种方式，如凋亡、自噬、坏死和程序性坏死[2]。程序性坏死参与了多种病毒性肝炎、酒精性肝病、代谢性肝病、胆汁淤积性肝炎、药物性肝损伤、自身免疫性肝病等疾病的转归。动物实验证实，在长时间酒精作用相关中毒性肝损伤中RIP3蛋白表达上调，并且参与了肝细胞脂肪变性和程序性坏死的发生，当敲除RIP3后相应病理改变也会减轻[33]。中链脂肪酸可通过下调MLKL的表达而减轻脂多糖诱导的肝损伤[34]。在原发性胆汁淤积患者肝组织RIP3、MLKL的表达与肝损伤呈正相关；胆汁淤积小鼠模型敲除RIP3后肝细胞坏死减轻；并且还发现RIP3的缺乏可加重慢性阻塞性胆汁淤积动物的胆汁淤积，可能与RIP3敲除后引起血红素氧合酶-1表达升高有关[35]。有研究发现，在乙型病毒性肝炎相关慢加急性肝衰竭病情演变中，RIP3介导的肝细胞程序性坏死具有不容小觑作用[36]；靶向抑制程序性坏死似乎可以减轻非酒精性脂肪肝的进展。近年来，有研究也发现，肝细胞损伤发生内质网应激时gp130蛋白表达上调，当敲减gp130时内质网应激对肝细胞的损伤加重，磷酸化RIP3及MLKL表达上调。现已经明确gp130可参与细胞程序性坏死的调控，故认为STAT3作为gp130的下游分子在肝细胞程序性坏死中同样扮演着重要角色。

5 展 望

目前，我国肝病的发病率高，部分患者发展为重症肝病，如各型肝衰竭，病死率高达80%。持续、大量肝细胞死亡是肝病的基本病理特征。程序性坏死是近年研究最火的细胞死亡方式，而至今有关肝细胞程序性坏死与STAT3相关信号通路调控的研究甚少见。因此，通过对STAT3与细胞程序性坏死及其信号通路之间串扰在肝病中作用的深入研究，找到抑制或预防肝细胞发生程序性坏死的新方法，对提高肝病预防及诊治具有重要的指导意义。