STAT家族转录因子对热休克蛋白基因的转录调控

摘要

细胞因子和生长因子在调节细胞生长和分化的多个方面都很重要。对各种细胞因子的转录反应已确定Janus激酶（JAKs）-信号转导子和转录激活子（STATs）是基因激活的重要信号通路(12,33). 目前，已有6个STAT（STAT-1-6）被鉴定，它们共享几个保守的结构和功能域，包括DNA结合域和磷酸酪氨酸结合基序(图1) (4). 在配体结合后，JAK被激活，这导致潜在STAT的募集，这些STAT被磷酸化并形成同源异二聚体，然后转移到细胞核并结合STAT反应基因。白细胞介素-6（IL-6）可激活STAT-1和STAT-3。IFN-γ仅激活STAT-1。IL-6家族成员包括白血病抑制因子（LIF）、抑癌素M（OM）和心肌营养素-1（CT-1），主要激活STAT-3通路。STAT-4仅被IL-12激活，STAT-5被IL-3、IL-5和催乳素激活。STAT-6仅被IL-4激活(13)].

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图1

不同STAT形式的结构和特定细胞因子的激活。

STAT基因敲除小鼠已经评估了其中一些STAT在细胞因子信号传导中的作用。STAT-1缺陷小鼠没有明显的发育异常，并且在大小、活动或繁殖能力方面与正常小鼠没有明显区别。然而，这些动物对IFN-α或IFN-γ完全缺乏反应性，对微生物病原体和病毒的感染高度敏感(7). 这与导致胚胎死亡的STAT-3基因敲除形成对照，表明STAT-3在发育中起着重要作用(43). 然而，在髓系细胞系中引入的STAT-3显性阴性突变体可以消除IL-6诱导的生长停滞和巨噬细胞分化(27)表明STAT-3在决定细胞从增殖到细胞生长和分化的决定中至关重要。相反，STAT-1显性阴性突变体对该系统中的细胞分化没有影响(27).

热休克蛋白（Hsps）是一组蛋白质，最初是根据细胞在高温下合成增加而鉴定出来的，后来证明，细胞在各种应激下也会受到类似的诱导(19). Hsps对各种应激的诱导依赖于一种特定转录因子的激活，即热休克因子（HSF-1），它与Hsps基因启动子中的热休克元件（HSE）结合(26). 然而，除此之外，许多热休克蛋白也在非应激细胞中表达，它们的水平受到调节，以响应多种生物过程，如细胞分化(25). 然而，总的来说，在非应激条件下诱导Hsp基因表达改变的刺激物特征不明确，其作用机制尚不清楚。

HSF（HSF-1至-4）已从许多生物体中克隆出来，其作用已被确定。HSF-1已被证明参与调节热应激引起的热休克蛋白(26)而HSF-2、HSF-3和HSF-4可能参与非热应激条件下（例如在细胞分化期间）的Hsp基因调控(21,25). HSF-1以单体形式存在于细胞质中，在非应激细胞中保持非DNA结合状态。热休克后，HSF-1发生构象变化，形成三聚体，能够与Hsp启动子上的HSE结合。HSF-1的靶向破坏对Hsps的组成型表达没有影响。然而，HSF-1的缺乏消除了耐热性和对热诱导凋亡的保护(22). 因此，HSF-1对于应激诱导的Hsps表达是必要的。HSF-1最近也被证明在非热应激条件下调节IL-1启动子(三). 我们最近的研究表明，HSF-1与其他转录因子相互作用，在非热应激条件下调节Hsp启动子活性。这些研究表明，HSF-1能够在没有生理应激的情况下调节启动子活性。许多研究表明，转录活性是通过转录因子与DNA反应元件的蛋白质相互作用实现的。最近，有报道称HSF-3和c-Myb之间存在物理相互作用，这种相互作用可能在细胞增殖过程中对Hsp基因表达的调节中起重要作用(14). 这一观察以及我们最近的数据表明HSF-1和STAT-1通过物理相互作用增强了Hsp启动子活性(39)表明HSF能够与其他转录因子相互作用，在非应激和应激条件下调节Hsp基因表达。

IL-6家族成员和STAT-3调节Hsp基因表达

IL-6是一种对多种细胞类型具有多效性活性的多功能细胞因子(16). IL-6的这一特性取决于IL-6受体，该受体包括属于IL-6受体超家族（LIF、IL-11、OM和CT-1）的其他细胞因子受体共享的gpl30亚基，以及IL-6受体特有的受体链(41). 已知IL-6与其受体的结合可刺激两条不同的信号通路，从而激活两种不同的转录因子：NF-IL6（C/EBPβ）和STAT-3(图2). 因此，I类急性期蛋白（如α-乙酸糖蛋白、半抗原球蛋白、C反应蛋白和血清淀粉样蛋白）含有NF-IL6的反应元件，并且该因子已被证明与IL-6治疗后这些基因的激活有关(1). 与这个想法一致，这些基因通过细胞暴露于IL-1、TNF-α和LPS而受到刺激，这些基因也刺激NF-IL6活性，而不影响STAT-3(2). 相反，II类急性期基因，如纤维蛋白原、硫抑制素和cx-微球蛋白不受IL-1诱导，并且缺乏NF-IL-6的结合位点。相反，这些基因包含STAT-3反应元件，并允许STAT-3结合，STAT-3负责激活这些基因以响应IL-6(10,29).

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图2

IFN-γ/STAT1和IL-6/STAT3或IL-6/NF-IL6信号通路和Hsp基因激活以及与I型或II型急性期基因的比较。

我们最初的研究是从调查系统性红斑狼疮（SLE）中Hsp90水平升高开始的。有趣的是，据报道，在类风湿性关节炎等多种不同的自身免疫性疾病中，循环IL-6水平也有所升高(8)和SLE(20)研究表明，这些水平与疾病活动性相关，在活动性疾病患者中最高。因此，这些发现提示IL-6可能在自身免疫性疾病的发病机制中发挥作用。此外，输注IL-6抗体可以缓解狼疮易感NZB/NZW FI小鼠的疾病症状(9). 因此，IL-6在疾病发病机制中的作用可能涉及诱导其靶细胞内特定基因的表达。我们和其他人已经表明，来自SLE患者特定亚群的外周血单核细胞（PBMC）中Hsp90水平的升高与某些器官或系统的疾病活动相关(5,18,28,44). 然后，我们通过研究IL-6对Hsp90蛋白水平和Hsp90基因启动子的影响，开始研究IL-6在Hsp90激活中的作用。IL-6可诱导肝细胞和PBMC中Hsp90的积累(35). 有趣的是，IL-6也诱导肝细胞中Hsp70的表达，但不诱导PBMC中的表达。至少在肝细胞中，这种作用是由Hsp90β基因启动子的IL-6激活介导的，这种激活也可以通过IL-6诱导的转录因子NF-IL6和NF-IL5β的过度表达在不同的细胞类型中产生。此外，在启动子的−1044到−300区域中存在几个NF-IL6结合位点，它们介导对IL-6本身的反应，也通过NF-IL5介导其激活。Hsp90启动子的一个短区域（−643到−623）包含这些因子的结合位点，可以赋予异源启动子对IL-6的反应性(36).

其他研究表明，LIF还可以提高肝细胞中的Hsp70和Hsp90蛋白水平（Stephanou等人，未发表的数据）。CT-1和LIF最近也被证明可以增强Hsp70和Hsp90蛋白在新生儿心肌细胞中的表达，从而防止随后暴露于严重的热应激或缺血应激(37). 此外，CT-1还降低了大鼠心肌梗死面积，以应对体外缺血/再融合损伤（Brar等人，手稿编制中）。因此，这些结果表明，CT-1和LIF可能在保护心脏免受应激方面具有治疗潜力，特别是如果可以将CT-1的保护作用从潜在的心肌肥大损伤诱导中分离出来的话。最近，有报道称CT-1通过MAPK途径而非STAT-3途径减少新生儿心肌细胞的程序性细胞死亡或凋亡(34). 综上所述，这些观察结果表明，IL-6、CT-1和LIF激活gpl30通路可导致Hsp表达升高，并对应激刺激起到保护作用。

进一步研究表明，Hsp90β启动子也被STAT-3信号通路激活(36). 此外，对Hsp90启动子的进一步分析表明，先前显示对NF-IL6具有反应性的−643和−623之间的短区域也包含两个STAT-3样结合位点，并且在转染实验中也被STAT-3过度表达激活(图3). 此外，NF-IL6和STAT-3在激活Hsp90β启动子方面发挥了强大的协同作用(36). 此外，对这些因子的显性阴性突变体的实验表明，IL-6本身对Hsp90β启动子的作用强烈依赖于NF-IL6和STAT-3的协同作用。因此，Hsp90β启动子似乎具有一种新的诱导模式，它依赖于IL-6激活的途径，包括MAP激酶对NF-IL6的苏氨酸磷酸化和JAK家族激酶对STAT-3的酪氨酸磷酸化(图2) (2).

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图3

Hsp70和Hsp90β截断启动子结构以及HSE/STAT-Hsp70或-Hsp90元件的序列连接到异源胸腺嘧啶激酶启动子结构和对IFN-γ/STAT1或IL-6/STAT3的反应性。

进一步的研究表明，NF-IL6和STAT-3都能与HSF-1或热休克发生不同的相互作用(36). 因此，过度表达的NF-IL6和HSF-1和/或热休克刺激协同并增强了Hsp90β启动子的活性，而过度表达的STAT-3和HSF-I和/或加热休克刺激相互拮抗。进一步的研究是为了确定当细胞在没有任何转录因子的情况下暴露于热休克和IL-6时，IL-6刺激的转录因子与HSF-1的这些相反的相互作用中的哪一种占主导地位。结果表明，热休克和IL-6分别激活了Hsp90β启动子；然而，当两种刺激同时应用时，与单独使用两种刺激相比，观察到启动子活性的增加要弱得多。因此，我们在转染实验中观察到的HSF-1和NF-IL6之间的协同作用似乎被HSF-1与STAT-3的拮抗作用所克服，当转录因子被适当的刺激物而不是过度表达激活时(36). 此外，仅激活NF-IL6而非STAT-3通路的IL-1能够与热休克协同作用，并产生Hsp90β启动子的强烈激活(36). 因此，很明显，Hsp90β基因的活性还受到除热休克激活途径以外的其他途径的影响，这些结果表明Hsp90基因的调控比想象的更复杂。然而，这些结果使该启动子与肝脏急性期蛋白基因不同，后者似乎分为两类，主要受NF-IL6通路或STAT-3通路调节(图2).

这种差异可能反映了Hsp90在所有细胞类型中的组织特异性表达。事实上，绝大多数对IL-6诱导基因的研究都集中在编码仅在有限范围的细胞类型中表达的蛋白质的基因上，如急性期蛋白质或免疫球蛋白(1,30). 然而，这种差异不太可能是Hsp90β基因启动子独特反应的原因，因为我们在两种肝细胞系中观察到启动子的相同反应，它们表达急性期蛋白基因，而神经元细胞则不表达急性期蛋白质基因(35).

通过激活STAT-1/STAT-3途径，IL-10信号传导与IL-6途径相似(17). 这使我们研究了IL-10在调节Hsp表达中的作用。最近我们发现，IL-10还能够诱导PBMC中Hsp90蛋白水平的升高，并在稳定表达IL-10受体的HepG2细胞中激活Hsp90启动子(31). 其他组也显示了cy tokines在不同细胞类型中对Hsps的诱导作用。例如，已知IL-4能特异激活STAT-6(42)，已被证明能增强人淋巴细胞中Hsp90β的表达(23). IL-1β还增加大鼠胰岛胰腺细胞中Hsp70和Hsp90的水平(11). 据报道，TNF-α和INF-γ都能提高粒-肾细胞中Hsp70的水平(15). 此外，IL-4和IFN-γ增加了人肾癌细胞中Hsp27的水平(40). IL-1、IL-6和TNF-α也能增加滑膜成纤维细胞中Hsp70的表达(32). 一氧化氮还通过HSF-1依赖性途径诱导血管平滑肌细胞中Hsp70基因表达(45).

干扰素-γ和STAT-1在调节热休克蛋白表达中的作用

IFN-γ也是一种多功能细胞因子，已知其通过诱导特异性IFN-γ应答基因而具有抗病毒和抗肿瘤特性(4,12,33). 最近我们研究了STAT-1通路是否也在激活Hsps表达中发挥作用。IFN-γ治疗可诱导IFN-γ应答HepG2细胞系中Hsp70和Hsp90的表达(39). 此外，STAT-1的过度表达增强了Hsp70和Hsp90β启动子的活性。此外，在对STAT-1缺陷细胞系U3A的研究中，INF-γ不能激活Hsp70或Hsp90启动子(39). 然而，在对再次导入STAT-1的U3A-STAT1细胞系的研究中，Hsp70和Hsp90启动子的激活都是对INF-γ的反应。此外，INF-γ增加了U3A-STAT1细胞中Hsp70和Hsp90蛋白的水平(39). 还确定了Hsp70启动子的一个短区域（−122到−90），其中包含STAT样结合位点和HSF-1位点，对于IFN-γ/STAT-1启动子的激活是必要的(图3)有趣的是，STAT-1和HSF-1在激活Hsp70和Hsp90β启动子方面表现出协同作用(39). 体内蛋白质结合研究表明STAT-1和HSF-1之间存在蛋白质-蛋白质相互作用，但HSF-1和STAT-3之间不存在蛋白质-蛋白相互作用(39). 因此，这些研究表明STAT-1或STAT-3与HSF-1之间存在差异性相互作用，并将HSF-1确定为STAT-1的相互作用伙伴。这是她首次认为HSF-1能够与另一转录因子直接相互作用，并可能解释在细胞因子刺激期间观察到Hsps诱导的机制。

炎症和病理状态下STATs和Hsps表达的升高

Hsp70、Hsp27和Hsp90家族的一些成员被认为在癌症中起着明确的作用，据报道，与健康对照组相比，恶性肿瘤患者中Hsps过度表达，这种过度表达确实与疾病特征有一定的相关性。乳腺癌细胞需要外源性血清衍生因子才能实现最佳生长。这些因子包括表皮生长因子（EGF）及其受体（EGFR），与IL-6受体家族不同，EGFR含有具有酪氨酸激酶活性的细胞内结构域，并且能够以JAK非依赖性的方式激活STAT-3通路(4).

然而，最近发现IL-6受体家族的成员，包括IL-6、LIF、OM、CNTF和IL-11在乳腺癌细胞中表达(6,24). 此外，这些细胞因子被证明可以增加乳腺癌细胞的增殖。此外，gpl30亚单位也在这些细胞中被证实。乳腺癌细胞也分泌IL-6、LIF和OM，这表明这些细胞因子在调节乳腺细胞的生长方面可能很重要(6). 我们已经证明乳腺癌细胞表达高水平的STAT蛋白，那些含有最高水平STAT-1或STAT-3的样本也具有较高水平的Hsp70和Hsp90(38). 因此，这些数据表明，在乳腺癌中，Hsps的表达可能受到参与IL-6信号通路的转录因子的调节。此外，使用Hsp90启动子构建物的转染研究表明，经IL-6和LIF治疗的乳腺癌细胞系的启动子活性增加（Stephanou等人，未发表的数据）。

据报道，佛波酯或其他免疫调节剂的免疫激活可导致Hsps的表达增加。然而，导致Hsps表达增强的机制尚不清楚。我们研究了STAT蛋白在调节PHA刺激后淋巴细胞中Hsps的作用，PHA是一种模拟T细胞炎症反应的非特异性T淋巴细胞有丝分裂原。PHA诱导STAT-1和STAT-3快速表达(38). 这些转录因子水平的增加也与淋巴细胞中Hsp70和Hsp90表达的增加平行(38). 这些结果与IL-6处理的PBMCs细胞不同，后者仅诱导Hsp90，而不诱导Hsp70或Hsp27。因此，这些结果表明，Hsps的诱导可能取决于转录因子的变化和表达，这些转录因子是对有丝分裂原或细胞因子刺激的反应。这些研究还表明，在疾病或炎症状态下观察到的Hsps水平的改变可能受到细胞因子诱导的转录因子的调节。

结论

在这篇综述中，我们已经证明，属于IL-6受体家族或IFN-γ的细胞因子能够通过激活结合和反式激活Hsp基因的特定转录因子来刺激Hsps的表达。因此，这些研究表明，HSF以外的转录因子也可能在调节Hsp表达中发挥作用。此外，我们的研究揭示了非应激刺激对热休克蛋白调节的意外复杂性。这些研究已经确定了一种复合反应元件，该元件将HSF介导的热休克反应与IL-6和IFN-γ信号整合，以调节热休克蛋白的差异调节。有趣的是，对不同物种的热休克蛋白启动子的分析揭示了HSF和STAT的相似但不完全相同的DNA结合序列(图4). 因此，这将为这些共同进化的转录因子提供一个复合反应元件，并可能在分子水平上解释HSF-1如何能够与STATs相互作用和合作。我们希望通过进一步的研究，能够清楚地了解细胞因子调控热休克蛋白的分子机制。

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图4

不同物种Hsp启动子的HSE/STAT序列。

致谢

参考文献