信号转导和转录激活因子3（STAT3）是一种信号转导和转录激活因子,广泛地表达于不同类型组织和细胞中,其作用主要体现在细胞信号的交流和基因的转录等方面[1]。多项研究表明,STAT3是缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的上游基因[2,3]。当HIF-1α增多时,磷酸化STAT3 （p-STAT3）也往往升高,这是STAT3激活磷酸化的结果。Janus蛋白酪氨酸激酶2（JAK2）/STAT3/HIF-1α信号通路的激活对中枢神经系统的具体作用尚不明确,有研究显示,JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路的激活能够减少脑梗死区凋亡细胞的数量,达到脑保护的作用;然而,也有学者认为JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路的激活会增加血脑屏障渗漏,诱发脑出血,使脑水肿加重,不利于预后。因此,本文拟对JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路在脑卒中发生、发展中所发挥的作用进行综述,以期为该信号通路今后的研究方向提供理论参考。
一、STAT3的激活与JAK/STAT/HIF-1α信号通路
STAT3的活化有2种形式：Tyr705-p-Stat3和Ser727-p-Stat3。Tyr705-p-Stat3是STAT3蛋白的重要活化形式,Tyr705-p-Stat3在刺激因子的作用下形成二聚体,并进入细胞核与靶基因结合以调控下游目的基因的表达[16]。有研究显示,STAT3可调控下游基因HIF-1α的信号传递[2,3]。这一过程中细胞因子通过与细胞内特定受体相结合引发受体分子二聚化,并磷酸化与受体分子偶联的JAK上的酪氨酸,从而使JAK活化,激活的JAK继续磷酸化受体分子中的酪氨酸残基,并引发酪氨酸与邻近位点的氨基酸序列形成停泊点。STAT蛋白由于含有SH2结构域,因此被招募至该停泊点,并被JAK催化,最终以二聚体的形式转运进入细胞核中与靶基因的启动子特异性结合,从而实现调控HIF-1α表达的目的[17]。
二、JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路在脑卒中的作用研究
脑卒中是由大脑血液供应紊乱而导致的脑功能障碍[18,19]。这种功能障碍是由缺血或出血引起的。据此,脑卒中有缺血性卒中和出血性卒中两大类。由于脑卒中可能会导致永久性的神经损伤,尽管经过血管的再通和外科手术等多方面的积极治疗,神经功能的恢复很多时候还是不理想,这使脑卒中的临床治疗充满了挑战性。近年来的研究热点主要是集中在神经保护性药物的研究上,期望提高脑卒中尤其是缺血性脑卒中的治愈率。脑缺血损伤发生后,受损伤脑组织释放大量的细胞因子及各种化学因子,它们通过共同的受体gp130激活STAT3[20,21]。在细胞因子及各种化学因子的刺激下,STAT3通过JAK2/STAT3/HIF-1a信号通路发生磷酸化。有些研究表明,激活JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路会促进神经细胞的凋亡;然而,另外一些研究却支持激活了JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路会减轻脑缺血再灌注的损伤、减少神经细胞的凋亡,从而起到保护中枢神经系统的观点。
1. 抑制JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路有利于大脑神经功能的保护
1.1 体内缺血再灌注或缺血的研究
张家辉[22]以化橘红柚皮苷高、中、低剂量分别注射大鼠尾静脉,大鼠治疗后的神经行为学评分高于模型组,且高剂量组能降低大脑中动脉栓塞（MCAO）大鼠的脑梗死面积;高、中剂量化橘红柚皮苷组MCAO大鼠海马区的锥体细胞排列清晰、无变形坏死、尼氏体基本正常。在高、中、低剂量组化橘红柚皮苷大鼠中,脱氧核苷酸末端转移酶介导的dUTP 缺口末端标记（TUNEL）阳性细胞数均减少,且JAK2、STAT3 mRNA与蛋白的表达水平均下降,推测化橘红柚皮苷通过下调JAK2/STAT3通路的信号表达,降低脑水肿、增强抗氧化、保护脑神经细胞、调节大脑微循环,改善缺血区神经功能,以减少脑梗死区细胞凋亡,达到对脑（皮层、海马、纹状体）保护的作用。有学者对SD雄性大鼠进行MCAO再灌注建立缺血再灌注损伤模型,并予尾静脉注射烟花苷（一种从红花提取的黄酮类化合物）,结果显示烟花苷处理组大鼠缺血区大脑皮层受损神经元的形态和结构有改善,神经元凋亡数目减少,同时p-JAK2、p-STAT3、Caspase3、Bax下降,Bcl-2蛋白表达增加,活性增强。由此可见,JAK2/STAT3信号通路的下调有利于脑保护[23]。Wu等[24]也报道,JAK2/STAT3信号通路抑制剂姜黄素对MCAO导致的缺血性脑损伤具有保护作用,其机制可能是通过降低高迁移率族蛋白B1（HMGB1）的表达,从而下调炎症因子的表达水平,减轻炎症反应。
1.2 体内出血性研究
An等[25]使用SD雄性大鼠制作蛛网膜下隙出血模型,并在蛛网膜下隙出血前30 min向脑室注射酪氨酸激酶抑制剂AG490,发现AG490抑制了JAK2/STAT3磷酸化介导的HMGB1的表达与转位,从而减少了大脑皮质细胞凋亡、脑水肿与神经功能缺损。
1.3 体外研究
2. 激动JAK/STAT3/HIF-1α信号通路有利于中枢神经系统的保护
2.1 体内出血性研究
一项在健康雄性大鼠的壳核区注入miR-124激动剂或抑制剂的研究显示,miR-124过表达可以下调STAT3的表达,但会使出血区周围细胞凋亡增加,而使用miR-124的抑制剂使其低表达则有利于促进STAT3的表达进而减少壳核区周围细胞凋亡,起到对大脑神经功能保护的作用[28]。Wei等[29]的研究表明,重组人促红细胞生成素激动JAK2/STAT3信号通路对蛛网膜下隙出血造成的早期大脑皮质损伤具有保护作用。PHA-543613是α7烟碱型乙酰胆碱受体的激动剂,有学者将其注射至纹状体出血的啮齿类动物模型,结果血肿周围的JAK2和STAT3表达增加,纹状体出血后TNF-α和过氧化物酶的表达减少,有效减轻神经炎症、改善纹状体出血后的脑萎缩和远期神经行为（包括感觉、运动、学习、记忆）缺陷 [30]。
2.2 体内缺血再灌注或缺血的研究
2.3 体外研究
另有学者利用SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞在体外进行氧糖剥夺-复氧模拟体内脑卒中后的缺血再灌注,结果显示氧糖剥夺-复氧可导致神经母细胞瘤细胞活力及抗氧化能力下降,在这个过程中,JAK2/STAT3信号通路会受到抑制,而神经保护性药物S14G-humanin（HNG）通过间接激活JAK2/STAT3信号通路而发挥神经保护作用[33]。Wang等[34]进行的体外试验显示,氧糖剥夺可以诱导线粒体氧化应激并且导致细胞凋亡,而脂联素可以通过激活JAK2/STAT3信号通路,使抗凋亡Bcl-2与致凋亡Bax比值升高,下调已激活的Caspase-3水平,从而发挥对海马HT22细胞的保护作用。近年Yuan等[35]报道,在体外对类神经细胞PC12细胞予6 h氧糖剥夺,而后进行24 h的复氧处理,结果显示src同源2B适配体蛋白1可能通过激活JAK2/STAT3信号通路,抑制凋亡相关蛋白表达,发挥对神经细胞的保护作用。
上述研究均表明,JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路的激活,使STAT3或p-STAT3高表达,从而发挥对脑损伤的保护作用。
3. 其他相关研究
Chen等[36]采用线栓法,使二月龄雄性C57BL/6小鼠缺血1 h后恢复灌注以制备短暂性MCAO（tMCAO）模型,之后用银杏内酯K（GK）等进行治疗,结果显示GK能够减少小鼠脑梗死体积和血脑屏障破坏并促进其功能恢复;促进缺血半影区血管再生和缺血再灌注侧脑血流恢复;上调tMCAO模型小鼠脑内HIF-1α、VEGF水平;对小鼠微血管内皮细胞b End3进行GK预孵育可以改善其活力;GK能够增加氧糖剥夺后b End3细胞内HIF-1α、VEGF的表达,促进氧糖剥夺后b End3细胞内的JAK2、STAT3的磷酸化;GK能够改善氧糖剥夺后b End3细胞间紧密排列的破坏,促进圆形管腔的形成。由此可见,GK通过激活JAK2/STAT3通路,使HIF-1α、VEGF表达增加,发挥其促进血管再生的作用,减轻小鼠脑缺血再灌注损伤恢复期神经功能的损伤,促进了恢复期血管的再生。因此,JAK2/STAT3/HIF-1α通路对血管再生的作用极其关键。
有研究表明,特异性敲除内皮细胞中STAT3对缺血性脑卒中急性期无明显影响,但会增加修复期脑梗死体积,促血管表达再生因子减少,血管再生受到显著的抑制,不利于预后,这表明STAT3对缺血再灌注脑损伤后的血管再生至关重要,特别是在晚期修复中[42]。
三、总结与展望
综上所述,STAT3与神经凋亡之间的关系可能和脑缺血程度、脑缺血p-STAT3表达所在的位置及其蛋白激活的程度以及脑缺血损伤再灌注阶段有关。短暂局部的脑缺血发生后,STAT3可以通过调节与凋亡相关的信号通路、并使之表达,从而达到抑制神经细胞凋亡、保护脑组织的目的;而严重全脑缺血或者是永久性局部性的脑缺血发生之后,STAT3的大量表达会导致神经细胞受损;在脑缺血损伤再灌注的早期,STAT3能够促进新生血管的生成、发展,但同时增加了血脑屏障渗漏,从而诱发脑出血,导致病情加重。体内与体外的研究结果也不尽相同,甚至可能得出相反的结论。受STAT3调控的HIF-1α在保护神经细胞方面与STAT3呈正相关,严重的全脑缺血或永久性的局部性脑缺血发生后,也会使神经细胞受损,这可能与STAT3和HIF-1α的共同靶基因VEGF mRNA的表达有关,而VEGF mRNA与血管的发生发展密切相关。在血管生成的过程中,血管通透性增加,脑水肿也随之加重。
针对JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路在大脑中的作用,目前的研究基本上为单纯地采取促进或抑制JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路表达,而分阶段地研究JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路对中枢神经系统的影响却寥寥无几。因此,在脑卒中急性期抑制JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路的表达,康复期激动JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路的表达,抑制与激动结合运用在同一个体上将比单纯地抑制或激动取得更加满意的效果,这可能是今后的研究方向之一,这将有利于研究人员深入地了解JAK2/STAT3/HIF-1α信号通路在大脑中的作用,为相关药物在脑缺血再灌注后不同阶段的应用提供理论依据,对脑缺血再灌注患者的康复与预后具有重要的意义。